常用模拟器件设计指南.docx
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常用模拟器件设计指南
常用模拟器件设计指南
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常用模拟器件设计指南
1目的
本规范用于指导研发人员正确、可靠的应用常用的模拟器件,同时也会给出一些典型的参考实例。
公司目前常用的模拟器件,主要是TI、ON等一些大家厂家的模拟器件,设计选型时尽可能选用公司已有的优选器件。
具体的选型请参考相关器件的选型指南。
2范围
本规范简要介绍了模拟器件的基础知识,包括二极管、三极管、MOS管和运放,罗列了它们应用注意事项。
本规范适用于所有硬件工程师。
3二极管应用指南
3.1二极管工作原理和特性
3.1.1二极管工作原理
二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode):
它只往一个方向传送电流的电子零件。
它是一种具有按照外加电压的方向,使电流流动或不流动的性质。
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。
当不存在外加电压时,由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。
p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
二极管的管压降:
硅二极管(不发光类型)正向管压降0.7V,发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。
3.1.2二极管的特性
二极管的电压与电流不是线性关系,所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。
二极管最重要的特性就是单方向导电性。
在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。
下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。
1)正向特性。
在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。
必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。
只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门坎电压”,又称“死区电压”,锗管约为0.1V,硅管约为0.5V)以后,二极管才能直正导通。
导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V,硅管约为0.6V),称为二极管的“正向压降”。
2)反向特性。
在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。
二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。
当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。
其典型的特性曲线如下:
3.2二极管的常用分类和参数
3.2.1二极管的常用分类
1)整流二极管
利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。
2)开关元件
二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。
利用二极管的开关特性,可以组成各种逻辑电路。
3)限幅二极管
二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为0.6V,锗管为0.3V)。
利用这一特性,在电路中作为限幅元件,可以把信号幅度限制在一定范围内。
大多数二极管能作为限幅使用。
4)续流二极管
在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。
5)检波二极管
在收音机中起检波作用。
就原理而言,从输入信号中取出调制信号是检波,以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。
6)稳压二极管
稳压二极管是代替稳压电子二极管的产品。
是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管,二极管工作时的端电压(又称齐纳电压)从3V左右到150V,按每隔10%,能划分成许多等级。
在功率方面,也有从200mW至100W以上的产品。
工作在反向击穿状态,硅材料制作,动态电阻RZ很小。
7)肖特基二极管
它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管,其正向起始电压较低。
由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微,所以其频率响仅为RC时间常数限制,因而,它是高频和快速开关的理想器件。
其工作频率可达100GHz。
3.2.2二极管的主要参数
用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标,称为二极管的参数。
不同类型的二极管有不同的特性参数。
对应用者而言,必须了解以下几个主要参数:
1)最大整流电流
是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值,其值与PN结面积及外部散热条件等有关。
因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度(硅管为141左右,锗管为90左右)时,就会使管芯过热而损坏。
所以在规定散热条件下,二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。
例如,常用的IN4001-4007型硅二极管的额定正向工作电流为1A。
2)最高反向工作电压
加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去单向导电能力。
为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。
例如,IN4001二极管反向耐压为50V,IN4007反向耐压为1000V。
3)反向电流
反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极管的反向电流。
反向电流越小,管子的单方向导电性能越好。
值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10℃,反向电流增大一倍。
例如2AP1型锗二极管,在25℃时反向电流若为250uA,温度升高到35℃,反向电流将上升到500uA,依此类推,在75℃时,它的反向电流已达8mA,不仅失去了单方向导电特性,还会使管子过热而损坏。
又如,2CP10型硅二极管,25℃时反向电流仅为5uA,温度升高到75℃时,反向电流也不过160uA。
故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。
4)动态电阻Rd
二极管特性曲线静态工作点Q附近电压的变化与相应电流的变化量之比。
3.3二极管的典型设计应用
3.3.1典型设计应用
在二极管的设计使用中,首先我们要根据设计的需求选用不同种类和特性的二极管,下面给出一些二极管的常用实例。
1)整流二极管
整流二极管有很多分类,有快恢复二极管和超快恢复二极管等区分,主要是开关应用场合的开关频率。
其典型的应用如下图所示:
图2.2整流二极管
其主要作用是将脉冲电压整成稳定的直流电压。
该电路使用过程中请注意二极管的耐压和最大电流,以及过热可能引起的损伤。
2)稳压二极管
稳压二极管是工作在反向击穿状态,其应用要注意两点:
一是击穿电压;二是最小击穿电流。
如果击穿电压不够,稳压二极管会不工作;如果最小击穿电流不够,该输出电压是可变的,不是稳定的输出电压。
其应用实例如下:
图2.3:
稳压二极管
该电路可以输出一个稳定的5.6V的电压。
该电路使用中要注意两点:
一是稳压二极管的功耗问题,就是说最大输出功率问题,如果选用不当,可能会因为过热引起二极管的烧毁。
二是最小击穿电流问题,当击穿电流没有到达稳压管的最小击穿电流时,稳压管的输出电压是不正常,也是不稳定的。
3)续流二极管
续流二极管一般是应用在感性的电路中,其作用是由于电感的电流不能突变,关断后需要给电感存储的能量有一个释放回路,其典型应用如下:
图2.4:
续流二极管
续流二极管选择时候要注意一个问题就是二极管的耐压问题,建议选用是正常工作电压的3倍以上的耐压。
4)限幅二极管
限幅二极管的作用主要是保护器件的输入不超过限定的幅值,以免对后续器件造成损伤,其典型应用如下:
图2.5:
限幅二极管
在一些精密设计的场合,限幅二极管可考虑选用低压降的肖特基二极管(0.3V压降),以便更稳定精确的限幅,保护后续器件。
5)发光二极管
发光二极管一般是做信号的状态指示用,如用作通信状态,电源状态等相关指示。
典型应用如下:
图2.6:
发光二极管
发光二极管应用中,一般要注意控制好点灯电流,通常的发光二极管1mA—2mA足够点亮了,电流不易过大,电流过大会对发光二极管的试用寿命造成影响。
为了保护发光二极管,设计时建议在二极管两端并一只0.01uF电容。
6)保护二极管TVS
保护二极管一般用在板内或板外的通信接口电路中,常见有RS232、RS485、GPS对时等相关的通信接口电路中
图2.7TVS保护
TVS保护原理是利用PN击穿后形成的保护,用来吸收尖峰电压或浪涌电流,在选取TVS时,要考虑一个重要的参数:
结电容。
通信速率越高,对结电容的要求越高,要求结电容越小,过高的结电容会引起通信异常、甚至通信不上。
7)以太网保护二极管
公司的电力产品中,以太网是常用的通信接口,针对该通信接口的特性,我们采用SLVU2.8-4的保护二极管对其进行防护
图2.8以太网防护
图中网络标识分别是以太网的两对差分信号,采用双管并联的方式对每对差分进行防护,可提高通信接口的防护能力。
8)BOOST/BUCK电路中的应用
图2.9BOOST电路
在BOOST/BUCK电路中,二极管更多的是作为一种续流和整流管的作用,通过与电感、开关器件配合形成工作回路。
该电路在PCB设计时要注意,尽可能将开关管、电感和二极管紧凑放置,减小开关回路的寄生参数。
9)单向导电性
在多数的二极管应用中,单向导电性是其最基本的特性。
例如在下图中的应用:
图2.10单向导电性
此处二极管的选择要注意:
反向漏电流尽可能的小。
10)逻辑功能实现
用二极管也可以实现逻辑或功能。
图2.11或功能实现
从上电路图可看出,只要IN1、IN2、IN3有一个信号为高,则开关管将导通。
即:
OUT=IN1||IN2||IN3。
同理我也可以用二极管实现逻辑与功能
图2.12与功能实现
从电路图可看出,只要输入信号有一个为低,则输出为低。
即:
OUT=IN1&&IN2&&IN3。
但在这个逻辑电路的设计中,要注意,高并不是真正的高;低也不是真正的低。
因为二极管在导通状态是有压降存在的,所以在类似电路设计中,如果要求高的场合,尽可能选取低压降的二极管。
11)特殊二极管应用
图2.13特殊二极管的应用
该电路中二极管SMDB3是一个特殊的二极管,该二极管的主要特性有:
一是漏电流小,二是正向必须有击穿电压才能导通,击穿电压是28V。
该电路的工作原理是:
交流信号整成直流,对电容C20充电,在此过程中二极管SMDB3一直不导通;C20充电超过28V后,SMDB3导通,电容放电,LED灯闪烁一次。
3.3.2二极管好坏测试
下面简单讲下二极管的好坏测试,一般是用万用表的欧姆档进行测试。
1)正向特性测试
把万用表的红表笔(表内正极)搭触二极管的正极,黑表笔(表内负极)搭触二极管的负极。
这时出现的阻值就是二极管的正向电阻,一般正向电阻越小越好。
若正向电阻为0值,说明管芯短路损坏,若正向电阻接近无穷大值,说明管芯断路。
短路和断路的管子都不能使用。
2)反向特性测试
把万用表的黑表笔搭触二极管的正极,红表笔搭触二极管的负极,如内阻为无穷大,二极管就是合格的。
3.3.3应用要点
二极管
按键电路中开关二极管要选用反向漏电流小的,满足输入电平要求。
二极管
不可使用多个二极管并联来增加二极管的通流量
二极管
整流二极管:
同电流等级选择反压最高的型号。
如1A以下选用IN4007,3A的选用IN5408。
二极管
使用二极管作为电源路径管理时,须考虑二极管反向漏电流的影响。
二极管
LED管体不允许直接接触金属机壳。
---ESD,并且LED并联0.01uF的电容。
二极管
在电压裕度充足的情况下,尽量在电源输入端串联一个二极管,防止电源反接烧板。
现场返修经常发现这类情况。
二极管
在电源中串联二极管进行单向供电时,要考虑负载变化时二极管管压降变化对供电电压的影响。
肖特基二极管
肖特基二极管的反向耐压降额50%以上。
整流二极管
正向导通压降越小越好,特别是低电压大电流输出时.建议选肖特基二极管如30BQ060、1N5817等。
整流二极管
反向恢复时间trr越小越好,trr小不仅降低了二极管的损耗和发热,而且减小了噪声和干扰.选超快恢复或肖特基管,如FR207等。
发光二极管
发光二极管应两端并联0.01uF陶瓷电容,防止静电损伤。
4三极管的应用指南
4.1三极管的工作原理和特性
4.1.1三极管(BipolarityJunctionTransistor)的内部结构
三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件,其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关。
晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,其内部结构如下:
图3.1NPN图图3.2PNP图
半导体二极管内部只有一个PN结,若在半导体二极管P型半导体的旁边,再加上一块N型半导体如图3.1(a)所示。
由图3.1(a)可见,这种结构的器件内部有两个PN结,且N型半导体和P型半导体交错排列形成三个区,分别称为发射区,基区和集电区。
从三个区引出的引脚分别称为发射极,基极和集电极,用符号e、b、c来表示。
处在发射区和基区交界处的PN结称为发射结;处在基区和集电区交界处的PN结称为集电结。
具有这种结构特性的器件称为三极管。
三极管通常也称双极型晶体管(BJT),简称晶体管或三极管。
三极管在电路中常用字母Q来表示。
因三极管内部的两个PN结相互影响,使三极管呈现出单个PN结所没有的电流放大的功能,开拓了PN结应用的新领域,促进了电子技术的发展。
因图3.1(a)所示三极管的三个区分别由NPN型半导体材料组成,所以,这种结构的三极管称为NPN型三极管,图3.1(b)是NPN型三极管的符号,符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。
根据同样的原理,也可以组成PNP型三极管,图3.2(a)、(b)分别为PNP型三极管的内部结构和符号。
由图3.1和图3.2可见,两种类型三极管符号的差别仅在发射结箭头的方向上,理解箭头的指向是代表发射结处在正向偏置时电流的流向,有利于记忆NPN和PNP型三极管的符号,同时还可根据箭头的方向来判别三极管的类型。
晶体管除了PNP和NPN两种类别的区分外,还有很多种类。
根据三极管工作频率的不同,可将三极管分为低频管和高频管;根据三极管消耗功率的不同,可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。
4.1.2三极管的特性曲线
三极管的特性曲线是描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线,它们是三极管内部载流子运动规律在管子外部的表现。
三极管的特性曲线反映了管子的技术性能,是分析放大电路技术指标的重要依据。
三极管特性曲线可在晶体管图示仪上直观地显示出来,也可从手册上查到某一型号三极管的典型曲线。
三极管共发射极放大电路的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线,下面以NPN型三极管为例,来讨论三极管共射电路的特性曲线。
1)输入特性曲线
输入特性曲线是描述三极管在管压降UCE保持不变的前提下,基极电流iB和发射结压降uBE之间的函数关系,即
(3-1)
图3.4:
三极管输入特性曲线
三极管的输入特性曲线如图3.4所示。
由图3.4可见NPN型三极管共射极输入持性曲线的特点是:
a)在输入特性曲线上也有一个开启电压,在开启电压内,uBE虽已大于零,但iB几乎仍为零,只有当uBE的值大于开启电压后,iB的值与二极管一样随uBE的增加按指数规律增大。
硅晶体管的开启电压约为0.5V,发射结导通电压Von约为0.6~0.7V;锗晶体管的开启电压约为0.2V,发射结导通电压约为0.2~0.3V。
b)三条曲线分别为UCE=0V,UCE=0.5V和UCE=1V的情况。
当UCE=0V时,相当于集电极和发射极短路,即集电结和发射结并联,输入特性曲线和PN结的正向特性曲线相类似。
当UCE=1V,集电结已处在反向偏置,管子工作在放大区,集电极收集基区扩散过来的电子,使在相同uBE值的情况下,流向基极的电流iB减小,输入特性随着UCE的增大而右移。
当UCE>1V以后,输入特性几乎与UCE=1V时的特性曲线重合,这是因为UCE>1V后,集电极已将发射区发射过来的电子几乎全部收集走,对基区电子与空穴的复合影响不大,iB的改变也不明显。
因晶体管工作在放大状态时,集电结要反偏,UCE必须大于1伏,所以,只要给出UCE=1V时的输入特性就可以了。
2)输出特性曲线
输出特性曲线是描述三极管在输入电流iB保持不变的前提下,集电极电流iC和管压降uCE之间的函数关系,即
(3-2)
图3.5三极管的输出特性曲线
三极管的输出特性曲线如图3.5所示。
由图3.5可见,当IB改变时,iC和uCE的关系是一组平行的曲线族,并有截止、放大、饱和三个工作区。
a)截止区
IB=0持性曲线以下的区域称为截止区。
此时晶体管的集电结处于反偏,发射结电压uBE<0,也是处于反偏的状态。
由于iB=0,在反向饱和电流可忽略的前提下,iC=βiB也等于0,晶体管无电流的放大作用。
处在截止状态下的三极管,发射极和集电结都是反偏,在电路中犹如一个断开的开关。
实际的情况是:
处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流ICE0,该电流称为三极管的穿透电流,它是在基极开路时测得的集电极-发射极间的电流,不受iB的控制,但受温度的影响。
b)饱和区
在三极管放大电路中,集电极接有电阻RC,如果电源电压VCC一定,当集电极电流iC增大时,uCE=VCC-iC*RC将下降,对于硅管,当uCE降低到小于0.7V时,集电结也进入正向偏置的状态,集电极吸引电子的能力将下降,此时iB再增大,iC几乎就不再增大了,三极管失去了电流放大作用,处于这种状态下工作的三极管称为饱和。
规定UCE=UBE时的状态为临界饱和态,图3.5中的虚线为临界饱和线,在临界饱和态下工作的三极管集电极电流和基极电流的关系为:
(3-3)
式中的ICS,IBS,UCES分别为三极管处在临界饱和态下的集电极电流、基极电流和管子两端的电压(饱和管压降)。
当管子两端的电压UCE<UCES时,三极管将进入深度饱和的状态,在深度饱和的状态下,iC=β*iB的关系不成立,三极管的发射结和集电结都处于正向偏置会导电的状态下,在电路中犹如一个闭合的开关。
三极管截止和饱和的状态与开关断、通的特性很相似,数字电路中的各种开关电路就是利用三极管的这种特性来制作的。
c)放大区
三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。
工作在放大区的三极管才具有电流的放大作用。
此时三极管的发射结处在正偏,集电结处在反偏。
由放大区的特性曲线可见,特性曲线非常平坦,当iB等量变化时,iC几乎也按一定比例等距离平行变化。
由于iC只受iB控制,几乎与uCE的大小无关,说明处在放大状态下的三极管相当于一个输出电流受IB控制的受控电流源。
上述讨论的是NPN型三极管的特性曲线,PNP型三极管特性曲线是一组与NPN型三极管特性曲线关于原点对称的图像
4.2三极管的常用分类和参数
4.2.1三极管的常用分类
✧按材质分:
硅管、锗管
✧按结构分:
NPN、PNP。
✧按功能分:
开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.
✧按功率分:
小功率管、中功率管、大功率管
✧按工作频率分:
低频管、高频管、超频管
✧按结构工艺分:
合金管、平面管
✧按安装方式:
插件三极管、贴片三极管
4.2.2三极管的交流参数
1)集电极一基极反向饱和电流Icbo,发射极开路(Ie=0)时,基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb>0时的集电极反向电流,它只与温度有关,在一定温度下是个常数,所以称为集电极一基极的反向饱和电流。
良好的三极管,Icbo很小,小功率锗管的Icbo约为1~10微安,大功率锗管的Icbo可达数毫安,而硅管的Icbo则非常小,是毫微安级。
2)集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流)基极开路(Ib=0)时,集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce>0时的集电极电流。
Iceo大约是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo。
Icbo和Iceo受温度影响极大,它们是衡量管子热稳定性的重要参数,其值越小,性能越稳定,小功率锗管的Iceo比硅管大。
对于以上各参数,测试时需要强调“反向”,是指,使被测PN结施加反向电压。
3)发射极---基极反向电流Iebo集电极开路时,在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流,它实际上是发射结的反向饱和电流。
4)直流电流放大系数β1(或hEF)这是指共发射接法,没有交流信号输入时,集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值,即:
β1=Ic/Ib
4.2.3三极管的直流参数
1)共发射极交流放大系数β(或hfe)这是指共发射极接法,集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比,即:
β=△Ic/△Ib
一般晶体管的β大约在10-200之间,如果β太小,电流放大作用差;
如果β太大,电流放大作用虽然大,但性能往往不稳定。
2)共基极交流放大系数α(或hfb)这是指共基极接法时,集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比,即:
α=△Ic/△Ie
因为△Ic<△Ie,故α<1。
高频三极管的α>0.90就可以使用。
α与β之间的关系:
α=β/(1+β)
β=α/(1-α)≈1/(1-α)
3)截止频率fβ、fα
当β下降到低频时0.707倍的频率,就是共发射极的截止频率fβ;
当α下降到低频时0.707倍的频率,就是共基极的截止频率fα;
fβ、fα是表明管子频率特性的重要参数,它们之间的关系为:
fβ≈(1-α)fα
4)特征频率fT
因为频率f上升时,β就下降,当β下降到1时,对应的fT是全面地反映晶体管的高频放大性能的重要参数。
4.2.4三极管的极限参数
三极管正常使用时,不允许超过其极限参数。
1)集电极最大允许电流ICM
晶体管的集电极电流IC在相当大的范围内β值基本保持不变,但当IC的数值大到一定程度时,电流放大系数β值将下降(这样的话,Ib的电流值就不能成固定放大系数(即β值)来放大了)。
使β明显减少的IC即为ICM。
为了使三极管在放大电路中能正常工作,IC不应超过ICM。
2)集电极最大允许功耗PCM
晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量,产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM,即
PCM=ICUCE(3-4)
图3.6三极管的功耗图
功耗与三极管的结温有关,结温又与环境温度、管子是否有散热器等条件相关。
根据3-4式可在输出特性曲线上作出三极管的允许功耗线,如图3.6所示:
功耗线的左下方为安全工作区,右上方为过损耗区。
手册上给出的PCM值是在常温下25℃时测得的。
硅管集电结的上限温度为
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