稳压二极管工作原理及故障特点.docx

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稳压二极管工作原理及故障特点

稳压二极管工作原理及故障特点

稳压二极管的稳压原理：

稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。

这样，当把稳压管接入电路以后，假设由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。

稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：

ZD5表示编号为5的稳压管。

故障特点：

稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。

在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。

常用稳压二极管的型号及稳压值如下表：

型号  1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761

稳压值  3.3V    3.6V     3.9V     4.7V     5.1V    5.6V     6.2V     15V    27V    30V    75V

稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。

稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。

我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。

如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。

（1）稳定电压UzUz就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。

对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。

（2）稳定电流Iz稳压管工作时的参考电流值。

它通常有一定的范围，即Izmin——Izmax。

（3）动态电阻rz它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，如上图所示，即这个数值随工作电流的不同而改变。

通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。

（4）电压温度系数它是用来说明稳定电压值受温度变化影响的系数。

不同型号的稳压管有不同的稳定电压的温度系数，且有正负之分。

稳压值低于4v的稳压管，稳定电压的温度系数为负值；稳压值高于6v的稳压管，其稳定电压的温度系数为正值；介于4V和6V之间的，可能为正，也可能为负。

在要求高的场合，可以用两个温度系数相反的管子串联进行补偿（如2DW7）。

（5）额定功耗Pz前已指出，工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好，但是最大工作电流受到额定功耗Pz的限制，超过P2将会使稳压管损坏。

选择稳压管时应注意：

流过稳压管的电流Iz不能过大，应使Iz≤Izmax，否则会超过稳压管的允许功耗，Iz也不能太小，应使Iz≥Izmin，否则不能稳定输出电压，这样使输入电压和负载电流的变化范围都受到一定限制。

以下图示出了稳压管工作时的动态等效电路，图中二极管为理想二极管。

光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。

     一、光敏二极管

     1．结构特点与符号

     光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。

     光敏二极管在电路中的符号如图Z0129所示。

光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。

     2．光电转换原理

     根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。

此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。

当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对〔称之为光生载流子〕，使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。

不同波长的光〔兰光、红光、红外光〕在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。

被外表P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子〔电子〕，一旦漂移到耗尽层界面，

就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。

波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。

在N区内因光照产生的光生载流子〔空穴〕一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。

因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。

     二、光敏三极管

     光敏三极管和普通三极管的结构相类似。

不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。

其结构及符号如图Z0130所示。

三、光敏二极管的两种工作状态

光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。

它具有两种工作状态：

〔1〕当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。

〔2〕光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。

这种工作状态，一般作光电检测器。

光敏二极管分有P-N结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型，其中用得最多的是P-N结型，价格廉价。

光信号放大和开关电路

集成线性稳压电路

如果将前述的串联型稳压电源电路全部集成在一块硅片上，加以封装后引出三端引脚，就成了三端集成稳压电源了。

正电压输出的78××系列，负电压输出的79××系列。

其中××表示固定电压输出的数值。

如：

7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。

79××系列也与之对应，只不过是负电压输出。

这类稳压器的最大输出电流为，塑料封装（TO-220）最大功耗为10W（加散热器）；金属壳封装（TO-3）外形，最大功耗为20W（加散热器）。

2.78系列三端集成稳压器内部电路框图

3.三端集成稳压器的典型应用

⑴固定输出连接

在使用时必须注意：

（VI）和（Vo）之间的关系，以W7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于8V，这样输入/输出之间有3V的压差。

使调整管保证工作在放大区。

但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大。

⑵固定双组输出连接

⑶扩大输出电流连接

二极管D以低消T管VBE压降而设置，扩大的输出电流为：

，原输出电流是Io，现可以近似扩大β倍。

⑷扩大输出电压范围

，所以：

⑹三端可调式集成稳压电路

其型号有正输出三端可调式、负输出三端可调式两种。

如LM317型是正电压输出型，LM337是负电压输出可调式。

其输出电压可在1.25～40V之间调节。

其中，VREF=1.25V，而Iadj很小，通常略去，所以，由公式可得，只要调节R2就能在一定范围调节输出电压的大小。

具有正负输出的实际应用电路如以下图所示。

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集成线性稳压电路

如果将前述的串联型稳压电源电路全部集成在一块硅片上，加以封装后引出三端引脚，就成了三端集成稳压电源了。

正电压输出的78××系列，负电压输出的79××系列。

其中××表示固定电压输出的数值。

如：

7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。

79××系列也与之对应，只不过是负电压输出。

这类稳压器的最大输出电流为，塑料封装（TO-220）最大功耗为10W（加散热器）；金属壳封装（TO-3）外形，最大功耗为20W（加散热器）。

2.78系列三端集成稳压器内部电路框图

3.三端集成稳压器的典型应用

⑴固定输出连接

在使用时必须注意：

（VI）和（Vo）之间的关系，以W7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于8V，这样输入/输出之间有3V的压差。

使调整管保证工作在放大区。

但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大。

⑵固定双组输出连接

⑶扩大输出电流连接

二极管D以低消T管VBE压降而设置，扩大的输出电流为：

，原输出电流是Io，现可以近似扩大β倍。

⑷扩大输出电压范围

，所以：

⑹三端可调式集成稳压电路

其型号有正输出三端可调式、负输出三端可调式两种。

如LM317型是正电压输出型，LM337是负电压输出可调式。

其输出电压可在1.25～40V之间调节。

其中，VREF=1.25V，而Iadj很小，通常略去，所以，由公式可得，只要调节R2就能在一定范围调节输出电压的大小。

具有正负输出的实际应用电路如以下图所示。

与非门电路介绍

图15-26甲是我们实验用的与非门，它也有两个输入瑞Ａ、Ｂ，图乙是它在电路中的接法。

空着的输入端是高电位.当两个输入端都空着时，输出端是低电位，二极管不发光。

可见，与非门跟与门相反，只要有一个输入端是低电位，或者两个输入端都是低电位，输出端都是高电位；只是在两个输入端都是高电位时，输出端才是低电位，空着的输入端是高电位。

与非门的应用

图15-27是应用与非门的基本电路，只要输入端有一个开关低电位间接通，输出端就是高电位，用电器开始工作。

TTL门电路

一、TTL与非门电路

（1）电路结构及工作原理

     TTL与非门是TTL逻辑门的基本形式，典型的TTL与非门电路结构如图8-16所示。

该电路由输入级、倒相级、输出级三部分组成。

图8-16TTL与非门电路及其逻辑符号

   输入级由多发射极三极管T1和电阻R1构成。

可以把T1的集电结看成一个二极管，而把发射结看成与前者背靠背的两个二极管。

这样，T1的作用和二极管与门的作用完全相同。

   倒相级由三极管T2和电阻R2、R3构成。

通过T2的集电极和发射极，提供两个相位相反的信号，以满足输出级互补工作的要求。

输出级是由三极管T3、T4，二极管D和电阻R4构成的“推拉式”电路。

当T3导通时，T4和D截止；反之T3截止时，T4和D导通。

倒相级和输出级的作用等效于逻辑非的功能。

    输入端A、B中至少有一个为0。

设A端为0，其电位约0.3V；其余为l，其电位约为3.6V。

T1对应于输入端接低电位的发射结导通，设发射结的正向导通电压为0.7V，此时T1的基极电位为：

     该电压作用于T1管的集电结和T2、T3的发射结，显然不可能使T2和T3导通，所以T2和T3均处于截止状态。

由于T2截止，其集电极电位接近于电源电压UCC，因而使T4和D导通，所以输出端Y的电位为：

    它实现了“输入有低，输出为高”的逻辑关系。

输入端A、B全为1（设电位约为3.6V）。

UCC通过R1、T1的集电结向T2提供基极电流，使T2饱和，从而进一步使T3饱和导通。

输出端Y的电位为：

   它实现了“输入全高，输出为低”的逻辑功能。

此时T2的集电极电位为:

T4、D必然截止。

    综上所述，当T1发射极中有任一输入为0时，Y端输出为1；当T1发射极输入全1时，Y端输出为0。

实现了与非门的功能。

在使用TTL电路时要注意输入端悬空问题。

当T1发射极全部悬空时，电源UCC仍能通过R1和T1集电结向T2提供基极电流，致使T2和T3导通、T4和D截止，Y端输出为0。

当T1发射极中有0输入，其余悬空时，则仍由0输入的发射极决定了T2和T3截止、T4和D导通，Y端输出为1。

由此可见，TTL电路输入端悬空相当于1。

（2）．主要外部特性参数

   参数是我们了解TTL电路性能并正确使用的依据，下面仅就反映TTL与非门电路主要性能的几个参数作简单介绍。

    10输出高电平UOH。

与非门至少有一个输入端接低电平时，输出电压的值称为输出高电平UOH。

产品标准值为UOH≥2.4V。

    20输出低电平UOL。

与非门所有输入端都接高电平时，输出电压的值称为输出低电平UOL。

产品标准值为UOL≤0.4V。

    30扇出系数No。

门电路的输出端所能连接的下一级门电路输入端的个数，称为该门电路的扇出系数No，也称负载能力。

一般No≥8。

    40平均传输延迟时间tpd。

   在与非门输入端加上一个脉冲电压，则输出电压将对输入电压有一定的时间延迟，从输入脉冲上升沿的50%处起到输出脉冲下降沿的50%处的时间叫做上升延迟时间tpd1；从输入脉冲下降沿的50%处到输出脉冲上升沿的50%处的时间叫做下降延迟时间tpd2。

平均传输延迟时间tpd定义为tpd1与tpd2的平均值，即：

    平均传输延迟时间是衡量与非门开关速度的一个重要参数，此参数值愈小愈好。

除了与非门外，TTL门电路还有与门、或门、非门、或非门、异或门等多种不同功能的产品。

如图8-17所示介绍的是几种常用的TTL门电路芯片。

或非门电路图

或非门的逻辑符号及波形图如图8-14所示。

（a）逻辑符号                     （b）波形图

图8-14或非门电路

   或非门的逻辑功能是：

输入全为0，输出才为1；只要有一个输入为1，输出就为0。

或非门真值表如表8-5所示。

                                                    表8-5 或非门真值表

A

B

Y

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

   或非门的逻辑功能用逻辑表达式描述则为：

               （8-5）

   或非门也可有两个或两个以上的输入端。

或非门逻辑符号图

（a）逻辑符号                     （b）波形图

   或非门的逻辑功能是：

输入全为0，输出才为1；只要有一个输入为1，输出就为0。

或非门真值表如表所示。

                                                    表8-5 或非门真值表

A

B

Y

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

或非门的逻辑功能用逻辑表达式描述则为：

或非门也可有两个或两个以上的输入端。

CMOS逻辑门电路

　　CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改良，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。

CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。

此外，几乎所有的超大规模存储器件，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。

　　早期生产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。

当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。

下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。

MOS管结构图

MOS管主要参数：

T

　　·开启电压〔又称阈值电压〕：

使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；

　　·标准的N沟道MOS管，VT约为3～6V；

　　·通过工艺上的改良，可以使MOS管的VT值降到2～3V。

2.直流输入电阻RGS

　　·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比

　　·这一特性有时以流过栅极的栅流表示

　　·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。

3.漏源击穿电压BVDS

　　·在VGS=0〔增强型〕的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS

　　·ID剧增的原因有以下两个方面：

　　〔1〕漏极附近耗尽层的雪崩击穿

　　〔2〕漏源极间的穿通击穿

　　·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后

，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID

4.栅源击穿电压BVGS

　　·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。

5.低频跨导gm

　　·在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导

　　·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力

　　·是表征MOS管放大能力的一个重要参数

　　·一般在十分之几至几mA/V的范围内

6.导通电阻RON

　　·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数

　　·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间

　　·由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似

　　·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内

7.极间电容

　　·三个电极之间都存在着极间电容：

栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS

　　·CGS和CGD约为1～3pF

　　·CDS约在0.1～1pF之间

8.低频噪声系数NF

　　·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的

　　·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输　　　出端也出现不规则的电压或电流变化

　　·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝〔dB〕

　　·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小

　　·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数

　　·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小

一、CMOS反相器

　　由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。

由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

　　以下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。

为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即

VDD＞（VTN＋|VTP|）。

　　首先考虑两种极限情况：

当vI处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当vI处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。

假设在两种情况下N沟道管TN为工作管P沟道管TP为负载管。

但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。

　　以下图分析了当vI=VDD时的工作情况。

在TN的输出特性iD—vDS〔vGSN＝VDD〕（注意vDSN=vO）上，叠加一条负载线，它是负载管TP在vSGP=0V时的输出特性iD－vSD。

由于vSGP＜VT〔VTN=|VTP|=VT〕，负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。

两条曲线的交点即工作点。

显然，这时的输出电压vOL≈0V〔典型值＜10mV，而通过两管的电流接近于零。

这就是说，电路的功耗很小〔微瓦量级〕

　　以下图分析了另一种极限情况，此时对应于vI＝0V。

此时工作管TN在vGSN＝0的情况下运用，其输出特性iD－vDS几乎与横轴重合，负载曲线是负载管TP在vsGP＝VDD时的输出特性iD－vDS。

由图可知，工作点决定了VO＝VOH≈VDD；通过两器件的电流接近零值。

可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

　　由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+VDD，而功耗几乎为零。

　　以下图为CMOS反相器的传输特性图。

图中VDD=10V，VTN=|VTP|=VT=

2V。

由于VDD＞〔VTN＋|VTP|〕，因此，当VDD-|VTP|>vI>VTN时,TN和TP两管同时导通。

考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。

还应注意到，器件在放大区〔饱和区〕呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。

因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。

两管在VI=VDD/2处转换状态。

　　CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。

以下图表示当vI=0V时，TN截止，TP导通，由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。

由于CMOS反相器中，两管的gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。

类似地，亦可分析电容CL的放电过程。

CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。

二、CMOS门电路

　　以下图是2输入端CMOS与非门电路，其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。

每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。

当输入端A、B中只要有一个为低电平时，就会使与它相连的NMOS管截止，与它相连的PMOS管导通，输出为高电平；仅当A、B全为高电平时，才会使两个串联的NMOS管都导通，使两个并联的PMOS管都截止，输出为低电平。

　　因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即

　　n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。

　　以下图是2输入端CMOS或非门电路。

其中包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。

　　当输入端A、B中只要有一个为高电平时，就会使与它相连的NMOS管导通，与它相连的PMOS管截止，输出为低电平；仅当A、B全为低电平时，两个并联NMOS管都截止，两个串联的PMOS管都导通，输出为高电平。

　　因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为

　　显然，n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管并联。

　　比较CMOS与非门和或非门可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加；或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。

因而或非门用得较多。

　　上图为CMOS异或门电路。

它由一级或非门和一级与或非门组成。

或非门的输出

。

而与或非门的输出