2.1 二极管的开关特性
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常用开关二极管型号及主要参数开关二极管是一种具有特殊结构的二极管,其主要作用是实现电路开关控制功能。
在数字电子、通信、电源管理等领域都广泛应用。
以下将对常用的几种开关二极管型号及其主要参数进行介绍。
1.1N4148开关二极管-最大反向电压:100V-最大正向电流:200mA-最大功耗:500mW- 开关时间:4ns1N4148是一种常见的开关二极管,具有快速开关、低反向电流、高正向导通能力等特点。
广泛应用于数字逻辑门、开关电路以及高频信号放大电路中。
2.1N4007开关二极管-最大反向电压:1000V-最大正向电流:1A-最大功耗:3W-开关时间:<50μs1N4007是一种经典的开关二极管,主要用于低频交流电源整流和保护电路,具有高耐压、大电流特点,适用于一般电源电路。
3.1N5822开关二极管-最大反向电压:40V-最大正向电流:3A-最大功耗:2.5W- 开关时间:20ns1N5822是一种快恢复型开关二极管,具有快速恢复时间和低导通损耗的特点。
常用于开关电源和充电电路中,以提高电路的稳定性和效率。
4.2N3904开关二极管-最大反向电压:40V-最大正向电流:200mA-最大功耗:625mW- 开关时间:20ns2N3904是一种常见的NPN型开关二极管,适用于低功耗开关电路和放大电路。
具有高动态特性、低饱和电压和低输入电容等特点。
5.PN2222开关二极管-最大反向电压:40V-最大正向电流:600mA-最大功耗:500mW- 开关时间:25nsPN2222是一种广泛应用的PNP型开关二极管,常用于电源管理、接口驱动、瞬态抑制等电路。
具有较高的集电极电流和较低的饱和电压。
以上是几种常见的开关二极管型号及其主要参数。
在实际应用中,选择合适的开关二极管要综合考虑最大反向电压、最大正向电流、功耗和开关时间等参数,并根据具体应用需求进行合适选择。
二极管的电容效应、等效电路及开关特性二极管的电容效应二极管具有电容效应。
它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。
1.势垒电容CB(Cr)前面已经讲过,PN结内缺少导电的载流子,其电导率很低,相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高,相当于金属导体。
从这一结构来看,PN结等效于一个电容器。
事实上,当PN结两端加正向电压时,PN结变窄,结中空间电荷量减少,相当于电容"放电",当PN结两端加反向电压时,PN结变宽,结中空间电荷量增多,相当于电容"充电"。
这种现象可以用一个电容来模拟,称为势垒电容。
势垒电容与普通电容不同之处,在于它的电容量并非常数,而是与外加电压有关。
当外加反向电压增大时,势垒电容减小;反向电压减小时,势垒电容增大。
目前广泛应用的变容二极管,就是利用PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。
2.扩散电容CDPN结正向偏置时,N区的电子向P区扩散,在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布,即靠近PN结一侧浓度高,远离PN结的一侧浓度低。
显然,在P区积累了电子,即存贮了一定数量的负电荷;同样,在N区也积累了空穴,即存贮了一定数的正电荷。
当正向电压加大时,扩散增强,这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多,致使在两个区域内形成了电荷堆积,相当于电容器的充电。
相反,当正向电压减小时,扩散减弱,即由N 区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少,造成两个区域内电荷的减少,、这相当于电容器放电。
因此,可以用一个电容来模拟,称为扩散电容。
总之,二极管呈现出两种电容,它的总电容Cj相当于两者的并联,即Cj=CB + CD。
二极管正向偏置时,扩散电容远大于势垒电容Cj≈CD ;而反向偏置时,扩散电容可以忽略,势垒电容起主要作用,Cj≈CB 。
二极管的等效电路二极管是一个非线性器件,对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。
为了使电路的分析简化,可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。
40 数字逻辑电路基础1.静态特性静态特性是指处于闭合状态或关断状态时,开关所具有的特性。
(1)理想开关处于断开状态时,开关的等效电阻R OFF =∞。
因此,无论U AK 在多大范围内变化,理想开关S 上通过的电流I OFF =0。
(2)理想开关处于闭合状态时,开关的等效电阻R ON =0。
因此,无论流过开关的电流在多大范围内变化,理想开关S 两端的电压U AK =0。
2.动态特性动态特性是指理想开关由断开状态转换到闭合状态,或由闭合状态转换为断开状态时,理想开关所呈现的特性。
(1)理想开关S 的开通时间t ON =0。
说明由断开状态转换到闭合状态时,理想开关不需要时间,可以瞬间完成。
(2)理想开关S 的关断时间t OFF =0。
说明由闭合状态转换到到断开状态时,理想开关也不需要时间,可以瞬间完成。
显然,上述理想开关S 在客观世界中是不存在的。
日常生活中的机械开关,如按压式的家庭用开关,推拉式的刀闸开关,控制电路通、断的继电器触点、接触器触点等,在一定电压和电流的范围内,静态特性与理想开关十分接近,但动态特性较差,完全满足不了数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
而由二极管、三极管构成的电子开关,其静态特性比机械开关的特性稍差,但它们的动态特性却是机械开关无法比拟的,基本上可以满足数字电路对开关的要求。
因此,作为电子开关的二极管、三极管和MOS 管广泛应用于数字电路中。
2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的核心部分是一个PN 结,因此具有“单向导电”性。
当二极管处于正向偏置时,开关二极管导通。
导通二极管的电阻很小,为几十至几百欧,相当于一个闭合的电子开关;二极管处于反向偏置时呈截止状态。
截止时,二极管的电阻很大,一般硅二极管在10M Ω以上,锗二极管也有几十千欧至几百千欧,相当于一个断开的电子开关。
半导体二极管的开关特性在数字电路中起控制电流接通或关断的作用。
1.静态特性二极管的静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。
二极管的电容效应、等效电路及开关特性二极管的电容效应二极管具有电容效应。
它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。
1.势垒电容CB(Cr)前面已经讲过,PN结内缺少导电的载流子,其电导率很低,相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高,相当于金属导体。
从这一结构来看,PN结等效于一个电容器。
事实上,当PN结两端加正向电压时,PN结变窄,结中空间电荷量减少,相当于电容"放电",当PN结两端加反向电压时,PN结变宽,结中空间电荷量增多,相当于电容"充电"。
这种现象可以用一个电容来模拟,称为势垒电容。
势垒电容与普通电容不同之处,在于它的电容量并非常数,而是与外加电压有关。
当外加反向电压增大时,势垒电容减小;反向电压减小时,势垒电容增大。
目前广泛应用的变容二极管,就是利用PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。
2.扩散电容CDPN结正向偏置时,N区的电子向P区扩散,在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布,即靠近PN结一侧浓度高,远离PN结的一侧浓度低。
显然,在P区积累了电子,即存贮了一定数量的负电荷;同样,在N区也积累了空穴,即存贮了一定数的正电荷。
当正向电压加大时,扩散增强,这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多,致使在两个区域内形成了电荷堆积,相当于电容器的充电。
相反,当正向电压减小时,扩散减弱,即由N 区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少,造成两个区域内电荷的减少,、这相当于电容器放电。
因此,可以用一个电容来模拟,称为扩散电容。
总之,二极管呈现出两种电容,它的总电容Cj相当于两者的并联,即Cj=CB + CD。
二极管正向偏置时,扩散电容远大于势垒电容Cj≈CD ;而反向偏置时,扩散电容可以忽略,势垒电容起主要作用,Cj≈CB 。
二极管的等效电路二极管是一个非线性器件,对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。
为了使电路的分析简化,可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。
二极管开关电路特性及原理详解二极管开关特性在数字电子技术门电路中,在脉冲信号的作用下,二极管时而导通,时而截止,相当于开关的“接通”和“关断”。
二极管由截止到开通所用的时间称为开通时间,由开通到截止所用的时间称为关断时间。
研究其开关特性,就是分析导通和截止转换快慢的问题,当脉冲信号频率很高时,开关状态变化的速率就高。
作为一种开关器件,其开关的速度越快越好,但是二极管是由硅或锗等半导体材料通过特殊工艺制成的电子器件,有一个最高极限工作速度,当开关速度大于极限工作速度,二极管就不能正常工作。
要使二极管安全可靠快速地工作,外界的脉冲信号高低电平的转换频率要小于二极管开关的频率。
如图1所示,输入端施加一脉冲信号Vi,其幅值为+V1和-V2。
当加在二极管两端的电压为+V1,二极管导通;当加在二极管两端的电压为-V2,二极管截止,输入、输出波形如图2所示。
二极管两端的电压由正向偏置+V1变为反向偏置-V2时,二极管并不瞬时截止,而是维持一段时间ts后,电流才开始减小,再经tf后,反向电流才等于静态特性上的反向漂移电流I0,其值很小。
ts称为存贮时间,tf称为下降时间,ts+tf=trr称为关断时间。
二极管两端的电压由反向偏置-V2变为正向偏置+V1时,二极管也不是瞬时导通,而是经过导通延迟时间和上升时间后才稳定导通,这段时间称为开通时间。
显然二极管的导通和截止时刻总是滞后加于其两端高、低电平的时刻。
二极管从截止转为正向导通的开通时间,与从导通转向截止时的关断时间相比很小,其对开关速度的影响很小,在分析讨论中主要考虑关断时间的影响。
二极管开关时间延迟原因分析在半导体中存在两种电流,因载流子浓度不同形成的电流为扩散电流,依靠电场作用形成的电流为漂移电流。
当把P型半导体和N型半导体靠近,在两种半导体的接触处,因为载流子浓度差就会产生按指数规律衰减的扩散运动。
在扩散过程中,电子和空穴相遇就会复合,在交界处产生内电场,内电场会阻止扩散运动的进行,而促进漂移运动,最终,扩散运动和漂移运动达到动态平衡。