极管7种应用电路详解之一
许多初学者对二极管很“熟悉”，提起二极管的特性可以脱口而出它的单向导电特性，说到它 在电路中的应用
第一反应是整流，
对二极管的其他特性和应用了解不多，
认识上也认为掌握了二极管的 单向导电特性，就能分析二极管参与的各种电路， 实际上这样的想法是错误的， 而且在某种程度上是害
了自己，因为这种定向思维影响了对各种二极管电路工作原理的分析，
许多二极管电路无法用单向导电
特性来解释其工作原理。
二极管除单向导电特性外， 还有许多特性，很多的电路中并不是利用单向导电特性就能分析二 极管所构成电
路的工作原理，
而需要掌握二极管更多的特性才能正确分析这些电路，
例如二极管构成的
简易直流稳压电路，二极管构成的温度补偿电路等。
941二极管简易直流稳压电路及故障处理
二极管简易稳压电路主要用于一些局部的直流电压供给电路中，
由于电路简单，成本低，所以
应用比较广泛。
二极管简易稳压电路中主要利用二极管的管压降基本不变特性。
二极管的管压降特性：二极管导通后其管压降基本不变，对硅二极管而言这一管压降是
0.6V
左右，对锗二极管而言是 0.2V 左右。
如图9-40所示是由普通3只二极管构成的简易直流稳压电路。电路中的
VD1、VD2和VD3
是普通二极管，它们串联起来后构成一个简易直流电压稳压电路。
图9-40 3只普通二极管构成的简易直流稳压电路
1 ?电路分析思路说明
分析一个从没有见过的电路工作原理是困难的，对基础知识不全面的初学者而言就更加困难
了。
关于这一电路的分析思路主要说明如下。
(1)
从电路中可以看出 3只二极管串联，根据串联电路特性可知， 这3只二极管如果导通会同时导通， 如果截止
会同时截止。
(2) 根据二极管是否导通的判断原则分析，在二极管的正极接有比负极高得多的电压，无论是直流还 是交流的电压，此时二极管均处于导通状态。从电路中可以看出，在 VD1正极通过电阻 R1接电路中
的直流工作电压+V , VD3的负极接地，这样在 3只串联二极管上加有足够大的正向直流电压。由此分 析可知，3只二
极管VD1、VD2和VD3是在直流工作电压+V 作用下导通的。 (3)
从电路中还可以看出，3只二极管上没有加入交流信号电压，
因为在VD1正极即电路中的 A 点与 地之间接
有大容量电容 C1,将A 点的任何交流电压旁路到地端。 2 ?二极管能够稳定直流电压原理说明
电路中，3只二极管在直流工作电压的正向偏置作用下导通，导通后对这一电路的作用是稳定
了电路中A 点的直流电压。
众所周知，二极管内部是一个
PN 结的结构，PN 结除单向导电特性之外还有许多特性，其中
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之一是二极管导通后其管压降基本不变，对于常用的硅二极管而言导通后正极与负极之间的电压降为
0.6V。
根据二极管的这一特性，可以很方便地分析由普通二极管构成的简易直流稳压电路工作原理。
3只二极管导通之后，每只二极管的管压降是0.6V，那么3只串联之后的直流电压降是0.6 X 3=1.8V。
3.故障检测方法
检测这一电路中的3只二极管最为有效的方法是测量二极管上的直流电压，如图9-41所示是
测量时接线示意图。如果测量直流电压结果是 1.8V左右，说明3只二极管工作正常；如果测量直流电
压结果是0V，要测量直流工作电压+V是否正常和电阻R1是否开路，与3只二极管无关，因为3只二极管同时击穿的可能性较小；如果测量直流电压结果大于 1.8V，检查3只二极管中有一只开路故障。
图9-41测量二极管上直流电压接线示意图
4?电路故障分析
5.电路分析细节说明
关于上述二极管简易直流电压稳压电路分析细节说明如下。
(1)在电路分析中，利用二极管的单向导电性可以知道二极管处于导通状态，但是并不能说明这几只二极管导通后对电路有什么具体作用，所以只利用单向导电特性还不能够正确分析电路工作原理。
(2)二极管众多的特性中只有导通后管压降基本不变这一特性能够最为合理地解释这一电路的作用，
所以依据这一点可以确定这一电路是为了稳定电路中A点的直流工作电压。
(3)电路中有多只元器件时，一定要设法搞清楚实现电路功能的主要元器件，然后围绕它进行展开分析。分析中运用该元器件主要特性，进行合理解释。
二极管7种应用电路详解之二
942二极管温度补偿电路及故障处理
众所周知，PN 结导通后有一个约为 0.6V (指硅材料PN 结)的压降，同时 PN 结还有一个与 温度相关的特
性：PN 结导通后的压降基本不变，但不是不变，PN 结两端的压降随温度升高而略有下降， 温度愈高其下降的量愈多，当然
PN 结两端电压下降量的绝对值对于
0.6V 而言相当小，利用这一特性
可以构成温度补偿电路。如图
9-42所示是利用二极管温度特性构成的温度补偿电路。
图9-42二极管温度补偿电路
对于初学者来讲，看不懂电路中
VT1等元器件构成的是一种放大器，这对分析这一电路工作
原理不利。
在电路分析中，熟悉 VT1等元器件所构成的单元电路功能，对分析 VD1工作原理有着积极意 义。了解了单
元电路的功能，一切电路分析就可以围绕它进行展开，做到有的放矢、事半功倍。
1 ?需要了解的深层次电路工作原理
分析这一电路工作原理需要了解下列两个深层次的电路原理。
(1) VT1等构成一种放大器电路，对于放大器而言要求它的工作稳定性好，其中有一条就是温度高低 变化时三极管的静态电流不能改变，即 VT1基极电流不能随温度变化而改变，否则就是工作稳定性不 好。了解放大器的这一温度特性，对理解
VD1构成的温度补偿电路工作原理非常重要。
(2) 三极管VT1有一个与温度相关的不良特性，即温度升高时，三极管 VT1基极电流会增大，温度
愈高基极电流愈大，反之则小，显然三极管 VT1的温度稳定性能不好。由此可知，放大器的温度稳定
性能不良是由于三极管温度特性造成的。 2. 三极管偏置电路分析
电路中，三极管 VT1工作在放大状态时要给它一定的直流偏置电压，这由偏置电路来完成。
电路中的R1、VD1和R2构成分压式偏置电路，为三极管 VT1基极提供直流工作电压，基极电压的大
小决定了 VT1基极电流的大小。如果不考虑温度的影响， 而且直流工作电压+V 的大小不变，那么VT1 基极直流电压是
稳定的，则三极管 VT1的基极直流电流是不变的，三极管可以稳定工作。
在分析二极管 VD1工作原理时还要搞清楚一点：
VT1是NPN 型三极管，其基极直流电压高，
则基极电流大；反之则小。 3. 二极管VD1温度补偿电路分析
根据二极管VD1在电路中的位置，对它的工作原理分析思路主要说明下列几点：
(1) VD1的正极通过R1与直流工作电压+V 相连，而它的负极通过 R2与地线相连，这样VD1在直流 工作电压+V 的作用下处于导通状态。理解二极管导通的要点是：正极上电压高于负极上电压。 (2)
禾U 用二极管导通后有一个 0.6V 管压降来解释电路中 VD1的作用是行不通的，因为通过调整 R1 和R2的阻值大小可以达到 VT1基极
所需要的直流工作电压，根本没有必要通过串入二极管 VD1来调 整VT1
基极电压大小。 (3)
利用二极管
的管压降温度特性可以正确解释VD1在电路中的作用。假设温度升高，根据三极管特性可知，VT1的基极电流会增大一些。当温度升高时，二极管VD1的管压降会下降一些，VD1管压降的下降导致VT1基极电压下降一些，结果使
VT1基极电流下降。由上述分析可知，加入二极管VD1 后，原来温度升高使VT1 基极电流增大的，现在通过VD1 电路可以使VT1 基极电流减小一些，这样起到稳定三极管VT1 基极电流的作用，所以VD1 可以起温度补偿的作用。
（4）三极管的温度稳定性能不良还表现为温度下降的过程中。在温度降低时，三极管VT1 基极电流要减小，这也是温度稳定性能不好的表现。接入二极管VD1 后，温度下降时，它的管压降稍有升高，使VT1 基极直流工作电压升高，结果VT1 基极电流增大，这样也能补偿三极管VT1 温度下降时的不稳定。
4．电路分析细节说明电路分析的细节说明如下。
（1）在电路分析中，若能运用元器件的某一特性去合理地解释它在电路中的作用，说明电路分析很可能是正确的。例如，在上述电路分析中，只能用二极管的温度特性才能合理解释电路中VD1 的作用。
（2）温度补偿电路的温度补偿是双向的，即能够补偿由于温度升高或降低而引起的电路工作的不稳定性。
（3）分析温度补偿电路工作原理时，要假设温度的升高或降低变化，然后分析电路中的反应过程，得到正确的电路反馈结果。在实际电路分析中，可以只设温度升高进行电路补偿的分析，不必再分析温度降低时电路补偿的情况，因为温度降低的电路分析思路、过程是相似的，只是电路分析的每一步变化相反。
（4）在上述电路分析中，VT1 基极与发射极之间PN 结（发射结）的温度特性与VD1 温度特性相似，因为它们都是PN 结的结构，所以温度补偿的结果比较好。
（5）在上述电路中的二极管VD1 ，对直流工作电压+V 的大小波动无稳定作用，所以不能补偿由直流工作电压+V 大小波动造成的VT1 管基极直流工作电流的不稳定性。
5．故障检测方法和电路故障分析
这一电路中的二极管VD1 故障检测方法比较简单，可以用万用表欧姆档在路测量VD1 正向和反向电阻大小的方法。
当VD1 出现开路故障时，三极管VT1 基极直流偏置电压升高许多，导致VT1 管进入饱和状态，VT1可能会发烧，严重时会烧坏VT1。如果VD1出现击穿故障，会导致VT1管基极直流偏置电压
下降0.6V，三极管VT1直流工作电流减小，VT1管放大能力减小或进入截止状态。
二极管7种应用电路详解之三
943二极管控制电路及故障处理
二极管导通之后，它的正向电阻大小随电流大小变化而有微小改变，正向电流愈大，正向电阻愈小;
反之则大。
利用二极管正向电流与正向电阻之间的特性，可以构成一些自动控制电路。如图9-43所示是一种由二极管构成的自动控制电路，又称ALC电路(自动电平控制电路)，它在磁性录音设备中(如卡座)的录
音电路中经常应用。
图9-43二极管构成的自动控制电路
1电路分析准备知识说明
二极管的单向导电特性只是说明了正向电阻小、反向电阻大，没有说明二极管导通后还有哪些具体的特性。
二极管正向导通之后，它的正向电阻大小还与流过二极管的正向电流大小相关。尽管二极管正向导通后的正向电阻比较小(相对反向电阻而言) ，但是如果增加正向电流，二极管导通后的正向电阻
还会进一步下降，即正向电流愈大，正向电阻愈小，反之则大。
不熟悉电路功能对电路工作原理很不利，在了解电路功能的背景下能有的放矢地分析电路工作原理或电路中某元器件的作用。
ALC电路在录音机、卡座的录音卡中，录音时要对录音信号的大小幅度进行控制，了解下列几点具体的控制要求有助于分析二极管VD1自动控制电路。
(1)在录音信号幅度较小时，不控制录音信号的幅度。
(2)当录音信号的幅度大到一定程度后，开始对录音信号幅度进行控制，即对信号幅度进行衰减，对
录音信号幅度控制的电路就是ALC电路。
(3)ALC电路进入控制状态后，要求录音信号愈大，对信号的衰减量愈大。
通过上述说明可知，电路分析中要求自己有比较全面的知识面，这需要在不断的学习中日积月累。
2 ?电路工作原理分析思路说明
关于这一电路工作原理的分析思路主要说明下列几点：
(1)如
果没有VD1这一支路，从第一级录音放大器输出的录音信号全部加到第二级录音放大器中。但是，有了VD1这一支路之后，从第一级录音放大器输出的录音信号有可能会经过C1和导通的VD1流到地端，形成对录音信号的分流衰减。
(2)电路分析的第二个关键是VD1这一支路对第一级录音放大器输出信号的对地
分流衰减的具体情
况。显然，支路中的电容C1是一只容量较大的电容(C1电路符号中标出极性，说明C1是电解电容，而电解电容的容量较大)，所以C1对录音信号呈通路，说明这一支路中VD1是对录音信号进行分流衰减的关键元器件。
(3)从分流支路电路分析中要明白一点：从第一级录音放大器输出的信
号，如果从VD1支路分流得多，
那么流入第二级录音放大器的录音信号就小，反之则大。
(4)VD1存在导通与截止两种情况，在VD1截止时对录音信号无分流作用，在导通时则对录音信号进行分流。
(5)在VD1正极上接有电阻R1,它给VD1 —个控制电压，显然这个电压控制着VD1导通或截止。
所以，R1 送来的电压是分析VD1 导通、截止的关键所在。
分析这个电路最大的困难是在VD1 导通后，利用了二极管导通后其正向电阻与导通电流之间的关系特性进行电路分析，即二极管的正向电流愈大，其正向电阻愈小，流过VD1 的电流愈大，其正
极与负极之间的电阻愈小，反之则大。
3．控制电路的一般分析方法说明对于控制电路的分析通常要分成多种情况，例如将控制信号分成大、中、小等几种情况。就这一电路而言，控制电压Ui 对二极管VD1 的控制要分成下列几种情况。
(1)电路中没有录音信号时，直流控制电压Ui 为0，二极管VD1 截止，VD1 对电路工作无影响，第一级录音放大器输出的信号可以全部加到第二级录音放大器中。
(2)当电路中的录音信号较小时，直流控制电压Ui 较小，没有大于二极管VD1 的导通电压，所以不足以使二极管VD1 导通，此时二极管VD1 对第一级录音放大器输出的信号也没有分流作用。
(3)当电路中的录音信号比较大时，直流控制电压Ui 较大，使二极管VD1 导通，录音信号愈大，直流控制电压Ui 愈大，VD1 导通程度愈深，VD1 的内阻愈小。 ( 4) VD1 导通后，VD1 的内阻下降，第一级录音放大器输出的录音信号中的一部分通过电容C1 和导通的二极管
VD1 被分流到地端，VD1 导通愈深，它的内阻愈小，对第一级录音放大器输出信号的对地分流量愈大，实现自动电平控制。
(5)二极管VD1 的导通程度受直流控制电压Ui 控制，而直流控制电压Ui 随着电路中录音信号大小的变化而变化，所以二极管VD1 的内阻变化实际上受录音信号大小控制。
4．故障检测方法和电路故障分析
对于这一电路中的二极管故障检测最好的方法是进行代替检查，因为二极管如果性能不好也会
影响到电路的控制效果。
当二极管VD1 开路时，不存在控制作用，这时大信号录音时会出现声音一会儿大一会儿小的起伏状失真，在录音信号很小时录音能够正常。
当二极管VD1 击穿时，也不存在控制作用，这时录音声音很小，因为录音信号被击穿的二极
管VD1 分流到地了。
二极管7种应用电路详解之四
944二极管限幅电路及故障处理
二极管最基本的工作状态是导通和截止两种，利用这一特性可以构成限幅电路。所谓限幅电路
就是限制电路中某一点的信号幅度大小，让信号幅度大到一定程度时，不让信号的幅度再增大，当信号的幅度没有达到限制的幅度时，限幅电路不工作，具有这种功能的电路称为限幅电路，利用二极管来完
成这一功能的电路称为二极管限幅电路。
如图9-44所示是二极管限幅电路。在电路中，A1是集成电路(一种常用元器件)，VT1和VT2 是三极管(一种常用元器件)，R1和R2是电阻器，VD1?VD6是二极管。
图9-44二极管限幅电路
1 ?电路分析思路说明
对电路中VD1和VD2作用分析的思路主要说明下列几点：
(1)从电路中可以看出，VD1、VD2、VD3和VD4、VD5、VD6两组二极管的电路结构一样，这两组二极管在这一电路中所起的作用是相同的，所以只要分析其中一组二极管电路工作原理即可。(2)集成电路A1的①脚通过电阻R1与三极管VT1基极相连，显然R1是信号传输电阻，将①脚上输出信号通过R1加到VT1基极，由于在集成电路A1的①脚与三极管VT1基极之间没有隔直电容，根据这一电路结构可以判断：集成电路A1的①脚是输出信号引脚，而且输出直流和交流的复合信号。确定
集成电路A1的①脚是信号输出引脚的目的是为了判断二极管VD1在电路中的具体作用。
(3)集成电路的①脚输出的直流电压显然不是很高，没有高到让外接的二极管处于导通状态，理由是：
如果集成电路A1的①脚输出的直流电压足够高，那么VD1、VD2和VD3导通，其导通后的内阻很小，
这样会将集成电路A1的①脚输出的交流信号分流到地，对信号造成衰减，显然这一电路中不需要对信
号进行这样的衰减，所以从这个角度分析得到的结论是：集成电路A1的①脚输出的直流电压不会高到
让VD1、VD2和VD3导通的程度。
(4)从集成电路A1的①脚输出的是直流和交流叠加信号，通过电阻R1与三极管VT1基极，VT1是NPN型三极管，如果加到VT1基极的正半周交流信号幅度出现很大的现象，会使VT1的基极电压很大
而有烧坏VT1的危险。加到VT1基极的交流信号负半周信号幅度很大时，对VT1没有烧坏的影响，因
为VT1基极上负极性信号使VT1基极电流减小。
(5)通过上述电路分析思路可以初步判断，电路中的
VD1、VD2、VD3是限幅保护二极管电路，防止
集成电路A1的①脚输出的交流信号正半周幅度太大而烧坏VT1。
从上述思路出发对VD1、VD2、VD3二极管电路进一步分析，分析如果符合逻辑，可以说明上述电路分析思路是正确的。
光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术语 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比： 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式 处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。)
光伏模式 光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时，暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下表给出了几种光电二极管 材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格. 结电容 结电容（C j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆的同轴电缆。带宽（f BW）和上升时间响应（t r）可以近似用结电容（C j）和负载电阻（R load）表示： 终端电阻 使用负载电阻将光电流转换为电压（V OUT）以便在示波器上显示： 根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（R load），从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时，电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。 分流电阻
半导体二极管及其应用电路 1．半导体的特性 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性（当守外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化）和掺杂性(往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显变化)。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。 2．半导体的共价键结构 在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。 当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴, 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。 由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等, 符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度时影响半导体性能的一个重要的外部因素。
光敏二极管和光敏三极管简介及应用 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。被表面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. Low noise light-sensitive preamplifier Used in receivers for spatial light transmission and optical remote control. A reverse bias is applied to the photodiode to improve frequency response. This circuit outputs an amplified signal from the FET drain, but signals can also be extracted from the source side for interface to the next stage circuit with low input resistance. KPDC0014ED 2. Low-level-light sensor head The whole circuit is housed in a metallic shield box to eliminate external EMI (electromagnetic interference). The photodiode window size should be as small as possible. Use of an optical fiber to guide the signal light into the shield box is also effective in collecting light. If dry batteries are used and housed in the same shield box to supply power to the operational amplifier, noise originating from the AC source can be eliminated and the S/N ratio will be further improved. KPDC0016ED 3. Light balance detection circuit The output voltage Vo of this circuit is zero if the amount of light entering the two photodiodes PD 1 and PD 2 is equal. The photoelectric sensitivity is determined by the feedback resistance. By placing two diodes D in reverse parallel with each other, Vo will be limited to about ±0.5 V (maximum) in an unbalanced state, so that the region around a balanced state can be detected with high sensitivity. Use of a quadrant photodiode allows two-dimensional optical axis alignment. KPDC0017EB 4. Luxmeter This is an illuminometer using a visual-compensated photodiode S7686 and an operational amplifier. A maximum of 5000 lx can be measured with a voltmeter having a 5 V range. It is necessary to use an operational amplifier which can operate from a single voltage supply with a low bias current. A standard lamp should be used to calibrate the illuminometer. If no standard lamp is available, an incandescent lamp of 100 W can be used for approximate calibrations. To make calibrations, first select the 1 mV/lx range in the figure at the right and short the wiper terminal of the 500 9 variable resistor VR and the output terminal of the operational amplifier. Adjust the distance between the photodiode and the incandescent lamp so that the voltmeter reads 0.38 V . At this point, illuminance on the S7686 photodiode surface is about 100 lx . Then open the shorted terminals and adjust VR so that the voltmeter reads 1.0 V . Calibration has now been completed. KPDC0018EC Vo R PD : High-speed PIN photodiodes (S5052, S2506-02, S5971, S5972, S5973, etc.) R L : Determined by sensitivity and time constant of Ct of photodiode R S : Determined by operation point of FET FET: 2SK152, 2SK192A, 2SK362, etc. Bold lines should be within guarded layout or on teflon terminals. A 1:AD549, etc. Rf : 10 G 9 Max. A 2 :OP07, etc. S : Low-leakage reed relay Cf :10 to 100 pF, polystyrene capacitor PD: S1226/S1336/S2386 series, etc. PD: S1226/S1336/S2386 series, etc.A : LF356, etc.D : ISS270A, etc. Vo=Rf × (Isc 2 - Isc 1) (V) (Vo < ±0.5 V) When the amount of light entering the two photodiodes is equal, the output voltage Vo will be zero. In unbalanced state, Vo will be ±0.3 to 0.5 V. This circuit can be used for light balance detection between two specific wavelengths using optical filters. IC : ICL7611, TLC271, etc.PD: S7686 (3.8 μA/100 lx) * Meter calibration potentiometer 1
光敏二极管实现
引言 目前，光敏电阻和光敏二级管用于亮度调节非常广泛，两者都很方便的运用在光强自动调节的领域，比如说，学校的路灯，街道的路灯，都可以用光敏传感器来实现智能光调节功能，非常方便，外面的电路用了光敏传感器的反向连接功能，如果是白天的时候，路灯的电压就会减小到零，如果是晚上的时候，路灯的电压就会升高到一定值，使路灯变亮，这样就使得马路边的路灯不受人工控制，实现全智能化。 我相信在未来不久，只要有灯的地方，光敏传感器调节亮度这方面的电路将得到很广泛的应用，我们晚上玩手机屏幕的时候，手机的亮度很刺眼，会严重伤害眼睛，这时我们也应用光自动调节亮度的原理来实现这一功能，当外界的亮度很暗的时候，手机屏幕可自动调节它的亮度，使它的亮度小到一定的范围，合适为止，还有电脑屏幕的显示屏也是一样，这样不仅节约电，而且对眼睛还有保护作用，这个领域现在已经应用很广泛。 总之，亮度自动调节电路这方面的应用已经很广泛，生活中这方面的应用无处不在，使其不断趋向智能化。
1 系统硬件设计总体框图 本文通过设计一个用光敏二极管进行亮度调节的电路，利用光敏二极管的反向PN 结来采集外部信号，电路可以实现用光敏二极管来控制灯的亮度，而且在数码管上显示它的亮度等级，通过做这个电路，让我更加熟悉光敏二极管的应用了解，本电路由五个部分组成，一是光敏二极管采集电路，二是运算放大器电路，三是电源部分电路、四是AD转换和数码管驱动模块、五是数码管显示电路，本设计框图如图1.1所示。 图1.1 总电路框图 2 各部分电路分析 2.1 光敏二极管采集电路 2.1.1 光敏二极管简介 光敏二极管也叫光电二极管，光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
光电二极管的工作原理与应用 学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强 摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。 关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率 1、引言 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。 2、工作原理 光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本相似，都具有一个PN结，但光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，也因此光电二极管在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。 图1基本工作原理
?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型
稳压二极管工作原理 一、稳压二极管原理及特性 一般三极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图5－17所示。 稳压管的稳压特性，可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此，稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，不同类型稳压管的稳定电压也不一
样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2伏到4．5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3．5伏，另一只管子则可能是4，2伏。 在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0．6～0．7伏的特点来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。 稳压管稳压性能的好坏，可以用它的动态电阻r来表示： 显然，对于同样的电流变化量ΔI，稳压管两端的电压变化量ΔU越小，动态电阻越小，稳压管性能就越好。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大，动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合适。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。 稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示，这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏，温度系数为0.095%℃，说明温度每升高1℃，其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时，需使用具有温度补偿的稳压，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。 二、稳压二极管稳压电路图 由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5- l9（a）所示。硅稳压管DW与负载Rfz，并联，R1为限流电阻。
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。被表面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P N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。 当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，便形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大。 1、判断光敏三极管C、E极性，方法是用万用表20M电阻测试档，测得管阻小的时候红表棒端触脚为C极，黑表棒为E极。 2、暗电流测试： 按图（11）接线，稳压电源用±12V，调整负载电阻RL阻值，使光敏器件模板被遮光罩盖住时微安表显示有电流，这即是光敏三极管的暗电流，或是测得负载电阻RL上的压降V暗，暗电流LCEO=V暗/RL。（如是硅光敏三极管，则暗电流可能要小于10-9A，一般不易测出。 3、光电流测试： 缓慢地取开遮光罩，观察随光照度变化测得的光电流I光的变化情况，并将所测数据填入下表：
稳压二极管的检测 （1）正、负电极的判别从外形上看，金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。对标志不清楚的稳压二极管，也可以用万用表判别其极性，测量的方法与普通二极管相同，即用万用表R×1k档，将两表笔分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。 若测得稳压二极管的正、反向电阻均很小或均为无穷大，则说明该二极管已击穿或开路损坏。 （2）稳压值的测量用0~30V连续可调直流电源，对于13V以下的稳压二极管，可将稳压电源的输出电压调至15V，将电源正极串接1只1.5kΩ限流电阻后与被测稳压二极管的负极相连接，电源负极与稳压二极管的正极相接，再用万用表测量稳压二极管两端的电压值，所测的读数即为稳压二极管的稳压值。若稳压二极管的稳压值高于15V，则应将稳压电源调至20V以上。 也可用低于1000V的兆欧表为稳压二极管提供测试电源。其方法是：将兆欧表正端与稳压二极管的负极相接，兆欧表的负端与稳压二极管的正极相接后，按规定匀速摇动兆欧表手柄，同时用万用表监测稳压二极管两端电压值（万用表的电压档应视稳定电压值的大小而定），待万用表的指示电压指示稳定时，此电 压值便是稳压二极管的稳定电压值。 若测量稳压二极管的稳定电压值忽高忽低，则说明该二极管的性不稳定。 稳压管常用在整流滤波电路之后，用于稳定直流输出电压的小功率电源设备中。 如图2所示，由R、Dz组成的就是稳压电路，稳压管在电路中稳定电压的原理如下： 只要R参数选得适当，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不变。 可见，在这种稳压电路中，起自动调节作用的主要是稳压二极管Dz，当输出电压有较小的变化时，将引起稳压二极管电流Iz的较大变化，通过限流电阻R的补偿作用，保持输出电压Vo基本不变。
1．电阻测量法用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口，然后用万用表R×1k档测量光敏二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值在10~20kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正、反向电阻值均很小或均为无穷大，则是该光敏二极管漏电或开路损坏。 再去掉黑纸或黑布，使光敏二极管的光信号接收窗口对准光源，然后观察其正、反向电阻值的变化。正常时，正、反向电阻值均应变小，阻值变化越大，说明该光敏二极管的灵敏度越高。 2．电压测量法将万用表置于1V直流电压档，黑表笔接光敏二极管的负极，红表笔接光敏二极管的正极、将光敏二极管的光信号接收窗口对准光源。正常时应有0.2~0.4V电压（其电压与光照强度成正比）。 3．电流测量法将万用表置于50μA或500μA电流档，红表笔接正极，黑表笔接负极，正常的光敏二极管在白炽灯光下，随着光照强度的增加，其电流从几微安增大至几百微安。 1．光敏二极管的简易判别方法 （1）电阻测量法 用万用表1k档，测正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻应为∞，反向电阻不是∞，说明漏电流大；有光照时，反向电阻应随光照增强而减小，阻值小至几kΩ或1k Ω以下。 （2）电压测量法 用万用表1V档（无1V档可用1．5V或3V档），红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在光照情况下，其电压应与光照度成比例，一般可达0．2～0．4V。 （3）短路电流测量法 用万用表50mA或500mA电流档，红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在白炽灯下（不能用日光灯），应随光照的增强，其电流随之增加。短路电流，可达数十mA ～数百mA。 光敏二极管的主要特性参数 ①最高反向工作电压VRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA 时所能承受的最高反向电压值。 ②暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。 ③光电流IL:是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测
光电二极管的工作原理及设计方案 光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SPICE模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即 318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C 反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后， R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。
河北经济管理学校教案 序号：1编号：JL/JW/7.5.1.03 4.18授课主题稳压二极管并联型稳压电路 教学目的1.掌握稳压二极管并联型稳压电源电路的组成及各部分作用 2.能按工艺流程安装与测试稳压二极管并联型稳压电源电路 教学 重点、难点重点：稳压电源的组成及各部分作用 难点：稳压电源安装完成后，各部分参数的测量及故障的解决 教学准备教案，板书，教材 教学过程设计与时间分配 一、课堂导入与提问（10min） 二、讲授新课（55min） 1.直流稳压电源的概念 2.稳压电源中的稳压电路按电压调整元件与负载RL连接方式之不同可分为两种稳压类型 3.简单的直流稳压电源及其结构 4.并联型直流稳压电路的优缺点 5.串联型稳压电路简介 三、课堂小结（15min） 四、布置作业（10min）
河北经济管理学校教案 教案内容 一、导入与提问（10min） 举例手机充电器 二、讲授新课（55min） 1.直流稳压电源的概念 直流稳压电源是一种当电网电压变化时，或者负载发生变化时，输出电压能基本保持不变的直流电源 2.稳压电源中的稳压电路按电压调整元件与负载RL连接方式之不同可分为两种稳压类型（1）并联型稳压电路（2）串联型稳压电路 调整元件与负载RL并联，如上图所示 3.简单的直流稳压电源及其结构 （1）第一部分为变压器 它的作用是改变电压 我们接入的市电是交流电，电压有效值是220V，而我们平时用的直流电压较小，并且稳压
就是把原来交流电的负半周整流到正半周，而原正半周仍保持不变 （3）第三部分是一个电容器，为滤波电路 它的作用是对整流后的电流进行滤波，利用电容器的充放电功能，把原来起伏变化较大电压转换成起伏变化较小的电压 （4）第四部分为调整元件部分 它的作用是对输出电压进行稳定，使输出电压为一个稳定的值 它是利用稳压二极管的反向击穿特性，如下图所示为二极管的伏安特性曲线 二极管在反向电压击穿的时候其两端电压能其本保持稳定，即使在通过它的电流发生一些变化时也能基本保持稳定。 在这里我们把稳压二极管与负载并联后，反偏接入电路，调整电压，使其呈反向电击穿状
光敏二极管介绍 名词解释： 光敏二极管又叫光电二极管。 光敏二极管也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单向导电特性。它在电路中的符号是： 光敏二极管的重要特性就是把光能转换成电能。在没有光照时，光敏二极管的反向电阻很大，反向电流很微弱，称为暗电流。当有光照时，光子打在pn结附近，于是在pn结附近产生电子-空穴对，它们在pn结内部电场作用下作定向运动，形成光电流。光照越强，光电流越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 光敏二极管在应用电路中的两种工作状态： 1、光敏二极管施加有外部反向电压 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、光敏二极管不施加外部工作电压 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，通常用作光电检测器。 光敏二极管检测方法： ①电阻测量法 用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。 ②电压测量法 用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。 ③短路电流测量法 用万用表50μA档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。 光敏二极管的主要特性参数 本文介绍光敏二极管的主要特性参数：如最高反向工作电压V RM、暗电流I D、光电流I L等。 1、最高反向工作电压V RM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值 2、暗电流I D: 是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱无的能力越强。 3、光电流I L : 是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流其测量的一般条件是: 2856K 钨丝光源，照度为l000lx。