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第1章半导体二极管及其电路分析`1．1某二极管在室温（300K）下的反向饱和电流为0.1pA，试分析二极管外加电压在0.5V~0.7V之间变化时，二极管电流的变化范围。解：由于)1(−=TDUuSDeIi由题意知IS=0.1pA，室温下UT≈26mV，故当UD=0.5V时，得iD=0.1×10－12×（126500−e）A≈22.5μA当UD=0.7V时，得mAAeiD3.49)1(101.02670012≈−××=−因此UD在0.5~0.7V之间变化时，iD在22.5μA~49.3mA之间变化。1.2二极管电路如图P1.2所示，二极管的导通电压UD(on)=0.7V，试分别求出R为1kΩ、4kΩ时，电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO。解：（1）R=1kΩ假设二极管断开，可求得输出电压VVUO5.41119'−=+×−=可见，电路中二极管的阳极电位高于阴极电位1.5V，所以，二极管处于导通状态，故图P1.2mAmAIIImAmAIO6.1)3.57.3(3.51212=+−=+===mAmARUIVVULOOO)9(7.37.3)1/7.3(/7.3)7.03(−−−−=−==−=−−=（2）R=4kΩ假设二极管断开，可求得输出电压VVUO8.11419'−=+−=×可见，电路中二极管阳极电位低于阴极电位，二极管处于截止状态，所以1mAIImAmARUIVUUIoLOOOO8.18.1)1/8.1(/8.102'1=−=−=−==−===1.3图P1.3所示各电路中，设二极管具有理想特性，试判断各二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压UAO。图P1.3解：图（a）中，断开二极管V1、V2时，可得V1、V2正极电位均为10V，而V1、V2的负极电位分别为0V和－6V，因此V2的正偏电压大于V1的，V2优先导通，使UAO=－6V。这样就迫使V1反偏截止。图（b）中，断开管V1、V2时，V1、V2负极电位均为10V，而正极电位分别为0V、－6V，因此V1、V2均反偏截止，UAO=10V图（c）中，断开管V1、V2，则V1、V2负极电位为－10V，正极电位分别为0V、－6V，故V1优先导通，使UAO=0，迫使V2反偏截止。图（d）中，断开管V1、V2，则V1、V2负极电位为－5V，正极电位分别为0V、+5V，设V2优先导通，则2V)]V(V[VUA1552335−=−−×+−=这样V1的负极电位为－1V，正极电位为0V，V1也正偏导通。V1导通后使UAO=UA=0，此时V2仍正偏导通。1.4二极管电路如图P1.4所示，二极管导通电压UD(on)=0.7V,UI=6V试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO。解：由图可见，图中三个二极管均加正向电压而导通，所以UO=3UD(on)=3×0.7V=2.1V图P1.4图解P1.5IO=UO/RL=2.1V/1kΩ=2.1mA故I1=（6－2.1）V/560Ω=7mAI2=I1－IO=7mA－2.1mA=4.9mA1．5图P1.4所示电路中，当UI=±1V时，试分析UO的变化范围。解：当UI在6V上有±1V的波动时，可视为与6V恒压源串接了一个变化范围为±1V的信号源，图P1.4的小信号等效电路如图解P1.5所示。图中△UI=±1V，二极管动态电阻为DTdIUr=由题1.4已求得UI=6V时，ID=4.9mA，故Ω≈=31.59.426mAmVrd由图解P1.5得IdLdLOUrRRrRUΔ+=Δ3//3//由于3rd≈15.9ΩRL=1kΩ，故mVVUO6.27)1(9.155609.15±≈±×+≈Δ由题1.4已求得UO=2.1V，故当UI=6±1V时，UO的变化范围为2.1V±27.6mV。31.6二极管电路如图P1.6所示，设二极管具有理想特性,ui=5sinωt(V)，试画出uo波形。解：（a）图P1.6(a)中，在ui正半周，理想二极管导通，uo=ui；在ui负半周，理想二极管截止，uo=0，故可对应输入波形画出uo波形如图解P1.6(a)所示。（b）图P1.6(b)中，在ui正半周理想二极管导通，uo=0，在ui负半周，二极管截止，uo=ui，故得uo波形如图解P1.6(b)所示。1．7在图P1.7所示电路中，设ui=10sinωt(V)，且二极管具有理想特性，当开关S闭合和断开时，试对应输入波形画出uo波形。图解P1.7解：S断开时，uo=ui/2=5sinωt(V);S合上时，在ui正半周，二极管截止，uo=5sinωt(V)；在ui负半周，二极管导通，uo=0V。图P1.6图解P1.6图P1.7故可画出输出电压波形如图解P1.7所示。1．8图P1.8所示电路中，设ui=1.5sinωt(V)，二极管具有理想特性，试分别画出开关S处于A、B、C时，输出电压uo的波形。解：当S处于A时，理想二极管V导通，uo=（3+1.5sinωt）V。4当S处于B时，V截止，uo=0。当S处于C时，在ui正半周，V导通。uo=1.5sinωt(V)；在ui负半周，V截止，uo=0。故得上述3种情况下uo波形如图解P1.8所示。图解P1.8图P1.81．9图P1.9所示电路中，V1，V2为硅二极管，V3为锗二极管，试画出各电路的电压传输特性，并画出各电路在相应输入电压作用下的输出电压波形。图P1.9解：（a）由图（a）可知，当－3Vui3V时，V1、V2均截止，uo=ui；当ui3V时，V1导通，V2截止，uo=3V，当u2－3V时，V1截止，V2导通，uo=－3V。故可画出图（a）电路的电压传输特性和uo波形分别如图解P1.9(a)所示。（b）由图（b）可知，当UI2.8V时，V3截止，uo=3V；当UI2.8V时，V3导通，uo=(UI+0.2)V。5因此当UI=5V时，uo=3V；当UI=0V时，uo=0.2V。故得电压传输特性和uo波形如图解P1.9（b）所示。图解P1.91.10二极管电路及二极管伏安特性曲线如图P1.10所示，R分别2kΩ、500Ω，用图解法求ID、UD。解：（1）R=2kΩ时二极管的直流负载方程为uD=2－2×103iD故可得直流负载线的纵、横截点分别为N1（0V，1mA）、M（2V,0mA）。连接N1、M可得该直流负载线，它与二极管伏安特性曲线的交点为Q1（0.55V,0.7mA），故ID=0.7mA，UD=0.55V图P1.10图解1.10(2)R=500Ω时同理可求得直流工作点为Q2（0.7V,2.7mA），故ID=2.7mA,UD=0.7V。61．11图P1.11所示电路中，设二极管导通电压UD(on)=0.7V,ui=5sinωt(mV),C对交流信号的容抗近似为零，试求二极管两端的电压uD和流过二极管的电流iD。解：（1）求静态量UDQ、IDQ画出图P1.11电路的直流通路如图解P1.11（a）所示，由该图可知静态时二极管正偏导通，UDQ=0.7V，故mAmAIDQ72.15.27.05=−=图P1.11（b）（a）（2）求动态量ud、id画出图P1.11电路的小信号等效电路如图解P1.11（b）所示。由该图得ud=ui=5sinωt(mV)由于Ω≈Ω==1.1572.126)(26mAImArDQd故)(33.0)(sin1.155mAtSinmAtruidddωω≈==（3）求总量uD、iDUD=UDQ+ud=(0.7+0.005sinωt)ViD=iDQ+id=(1.72+0.33sinωt)mA图解P1.111．12图P1.12所示电路中，稳压管V1、V2的稳定电压分别为UZ1=8.5V、UZ2=6V，试求A、B两端的电压UAB。解：由图P1.12可知，V1、V2均处于稳压状态，故UAB=UZ1－UZ2=8.5V－6V=2.5V1．13稳压电路如图P1.13所示，UI=10V，稳压管参数为UZ=6V，IZ=10mA，IZＭ＝30mA，试求：（１）稳压管的工作电流IDZ和耗散功率；（2）限流电阻R所消耗的功率。图P1.12解：（1）设稳压管已稳压工作，则由图P1.13可得mAAAIIILRRDZ2002.0)3006100610(==−−=−=7由于IZIDZIZM，故电路中的稳压管确实处于稳压状态，且能安全工作。稳压管管耗为PZ=IDZUZ=20×6（mW）=120mW图P1.13（2）m)610(22==−==1.14试求图P1.13所示电路安全稳压工作所充许的输入电压UI变化范围。解：为了保证图P1.13所示电路既能稳压又能安全工作，当UI变大时，相应的IDZ应不超过IZM=30mA，UI变小时，相应的IDZ应不低于IZ=10mA，故可得3Im3Im101030061006103030061006−−×=−−×=−−inaxUU由此可求得UImax=11V，UImin=9V，即允许的UI变化范围为10V±1V。1．15稳压管稳压电路如图P1.15所示，稳压管的参数为UZ=6V，IZ=5mA，PZM=250mW,输入电压UI=20V，试分析：（1）求UO、IDZ；（2）当RL开路、UI增加10%时，稳压管是否能安全工作？（3）当UI减小10%，RL=1kΩ时，稳压管是否工作在稳压状态？图P1.15解：（1）设稳压管已稳压工作，则由图可得mAmAIDZ8)161620(=−−=由于IZ=5mA,而mAVmWUPIZZMZM426250===故IZ＜IDZ＜IZM,稳压管能安全稳压工作，UO=UZ=6V，IDZ=8mA。（2）当RL开路、UI=20×(1+10%)=22V时mAmAIDZ161622=−=＜IZM,故稳压管仍能安全工作。（3）当RL=1kΩ,UI=20×(1－10%)=18V时mAmAIDZ6)161618(=−−=IZ,故稳压管仍能工作在稳压状态。1．16图P1.16所示电路中，ui=10sinωt(V)，稳压管参数为UZ1=UZ2=5V，UD(on)=0.7V8试画uO波形。图解P1.16ωt图P1.16解：由图可知，当uI5.7V时，V1正偏导通，V2稳压工作，uO=0.7V+5V=5.7V；当UI－5.7V时，V1稳压工作，V2正偏导通，uO=－5V－0.7V=－5.7V；当-5.7VuI5.7V时，V1、V2均截止，uO=UI，故得uO波形如图解P1.16所示。1.17设计一稳压管稳压电路，要求输出电压为5V，负载电流允许范围为0~10mA，已知输入直流电压为9V，其变化范围不超过±10%，试画出电路，确定稳压管型号、限流电阻的阻值及功率。解：可采用图解P1.17所示电路图解P1.17由于UO=5V，UO=Uz，故选择UZ=5V由于IO变化范围为0~10mA，为了能实现稳压，稳压管的稳压电流变化范围应大于IO的变化范围，故要求IZM－IZ≥IOmax查手册知稳压管2CW53的主要参数为UZ=4~5.8V，IZ=10mA，IZM=41Ma,能满足要求，故可选用UZ=5V的2CW53。为使电路能安全地稳压工作，限流电阻R值应满足：Ω≈Ω×+−=+=Ω≈Ω×−=+−=−−−15510)1010(51.8120104159.93maxImmax3minImminOZZinOZMZaxIIUURIIUUR可选择R=130Ω，该电阻工作时的最大耗散功率为：WRUUPZaxR185.0130)59.9()(22Immax=−=−=为安全可靠起见，可选用130Ω、W21的电阻。9第2章半导体三极管及其电路分析2.1图P2.1所示电路中的三极管为硅管，试判断其工作状态。图P2.1解：（a）UBE=0.7－0V=0.7V，UBC=0.7V－3V0，故该NPN管发射结正偏，集电结反偏，工作在放大状态。（b）UBE=2V－3V0，UBC=2V－5V0，故该NPN管发射结与集电结均反偏，工作在截止状态。（c）UBE=3V－2.3V=0.7V，UBC=3V－2.6=0.4V，故该NPN管发射结与集电结均正偏，工作在饱和状态。（d）UBE=－2.7V