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）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，
价格便宜。
光信号放大和开关电路
光敏三极管应用电路实例
实例１：光信号放大电路
图1光敏三极管应用电路－光信号放大电路实例２：光控开关电路
图２光敏三极管应用电路－光控开关电路
实例３：光控开关电路
图3光敏三极管应用电路－光控开关电路
光敏三极管3DU5的暗电阻（无光照射时的电阻）大于1兆欧，光电阻（有光照射时的电阻）约为2千欧。开关管3DK7和3DK9共同作为光敏三极管3DU5的负载。当3DU5上有光照射时，它被导通，从而在开关管3DK7的基极上产生信号，使3DK7处于工作状态；3DK7则给3DK9基极上加一信号使3DK9进入工作状态，并输出约25毫安的电流，使继电器K通电工作，即它的常闭触点断开，常开触点导通。当光敏管3DU5上无光照射时，电路被断开，3DK7、3DK9均不工作，也无电流输出，继电器不动作，即常闭触点导通，常开触点断开。因此通过有无光照射到光敏管3DU5上即可控制继电器的工作状态，从而控制与继电器连接的工作电路。
实例４：光控语音报警电路
图4光敏三极管应用电路－光控语音报警电路
它由光控三极管和35语音集成电路两部分组成。图中光敏三极管VT1和晶体三极管VT2，电阻R1、R2、R3和电容C1、C2等构成光控开关电路。语音集成电路IC及三极管VT3、电阻R4、R5等构成语音放大电路。平常在光源照射下，VT1呈低阻状态，VT2饱和导通，IC触发端3脚得不到正触发脉冲而不工作，扬声器无声。当VT1被物体遮挡时，便产生一负脉冲电压，并通过C1耦合到VT2的基极，导致VT2进入截止状态，IC获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号通过VT3放大，推动扬声器发出声响。声响内容可根据不同场合选择不同的语音电路来产生，例如高压电网或配电房等场所，可选用“高压重地，禁止人内”、“有电危险，请勿靠近”等语音集成电路
实例5：红外接收机电路
由一只能对调幅的红外敏感的光敏三极管VT1和一个三级高增益音频放大器组成的，该接收机的输出阻抗可以与当前的低阻头戴式耳机相匹配，接收效果好，使用方便，如下图五所示。
图5光敏三极管应用电路－红外接收机电路
实例6：红外检测器
红外检测器主要用于检测红外遥控发射装置是否正常工作。红外检测器的电路如图所示。当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管VT1时，其内阻减小，驱动VT2导通，使发光二极管VD1随着人射光的节奏被点亮。由于发光二极管VD1的亮度取决于照射到光敏三极管VT1的红外光的强度，因此，根据发光二极管VD1的发光亮度，可以估计出红外发射装置上的电池是否还可以继续使用。
图6光敏三极管应用电路－红外检测电路
实例7：烟雾报警器
烟雾报警器由红外发光管、光敏三极管构成的串联反馈感光电路，半导体管开关电路及集成报警电路等组成，如图所示。当被监视的环境洁净无烟雾时，红外发光二极管VD1以预先调好的起始电流发光。该红外光被光敏三极管VT1接收后其内阻减小，使得VD1和VT1 串联电路中的电流增大，红外发光二极管VD1的发光强度相应增大，光敏三极管内阻进一步减小。如此循环便形成了强烈的正反馈过程，直至使串联感光电路中的电流达到最大值，在R1上产生的压降经VD2使VT2导通，VT3 截止，报警电路不工作。当被监视的环境中烟雾急骤增加时，空气中的透光性恶化，此时光敏三极管VT1接收到的光通量减小，其内阻增大，串联感光电路中的电流也随之减小，发光二极管VD1的发光强度也随之减弱。如此循环便形成了负反馈的过程，使串联感光电路中的电流直至减小到起始电流值，R1上的电压也降到1.2V ，使VT2截止，VT3 导通，报警电路工作，发出报警信号。C1是为防止短暂烟雾的干扰而设置的。
图7光敏三极管应用电路－烟雾报警电路
一种三极管开关电路设计 三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。由图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上。 输入电压Vin则控制三极管开关的开启（open）与闭合（closed）动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止（cut off）区。 同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区（saturatiON）。 1 三极管开关电路的分析设计 由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于0.3伏特。（838电子资源）当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集电极电流应该为： 因此，基极电流最少应为：
光敏三极管的结构及工作原理 说明：光敏三极管与二极管不同的是有两个背对相接的PN结。与普通三极管相似的是，它也有电流增益。图21-7示出了NPN型光敏兰极管的结构。需要指出的是，因光敏三极管无须电参量控制，所以一般没有基极引出线，只有集电极C和发射极e两个引脚，而且外形和光敏二极管极为相似，很难区别开，需认真看清管壳外缘标注的型号，以免混淆。 有时为了提高电压放大倍数，生产商将光敏三极管与另一普通二极管制作在一个管芯内，连结成复合管形式，称为达林顿型光敏三极管。它的电压放大倍数很高(β=βlβ2)，且允许输出较大电流，即电流放大倍数也很高(α=α1α2)。但达林顿型光敏三极管的暗电流较大，非线性严重，温
漂大以及抗干扰能力差，需在电路中增加抑制回路方能正常工作。 网名： sels 光敏三极管基础知识 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等 作用。 当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，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相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。 通过对半导体二极管和三极管的学习，我了解了晶体管的基本结构和工作原理，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。 发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。虽然重点学习了晶体管的放大作用，但是我对晶体管的开关作用更感兴趣。半导体就像 一个开关，可以通过导通与截止来控制电路。 半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶体管就是一种重要的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，我觉得通过光来控制电路真是太精妙了，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。下面用事例说明介绍一下各种功能。 一测量光亮度 在教室图书馆，很多时候日光灯白天也亮着，在宿舍里面，日光灯经常是昼夜不息，同学们对这种浪费已经麻木不仁了。有的同学早晨去教室，虽然教室很明亮但还要开灯，虽然一盏日光灯不会浪费多少资源，但积少成多，浪费就是很大了。因此，我们可以在教室安装一个控制电路，当亮度达到一定程度的时候，使得教室里面和宿舍里面日光灯将无法启动。我们可以利用光敏三极管附加电磁继电器来完成这个电路。采光点的选取是一个关键，因为并不是每一个教室的明亮程度都是相同的，我们可以采用多点取样来达到这个要求。例如在20个教室中都安放光敏三极管，我们可以设置，如果他们全部或者大部分亮度都很高，那么，日光灯就无法正常启动，达到节约能源的目的。 还有一种情况，就是如果有一天天空布满了乌云，亮度不够，那么日光灯可以开启了。但是不久云开雾散，天气放晴，日光灯不会自动关闭。同样造成很大浪费。可以在采光点所在的教室外面再安装一个采光点，当室内外强度的差值缩小到一定范围是，我们可以认为日光灯的作用可以忽略了，日光灯就会自动 关闭。 另外一种情况，如果教室外面正下雨，教室里面日光灯亮着，此时窗外一个闪电，使得外面很亮，日光灯就关闭了，这会造成麻烦。因此要避免这种问题。方法就是在电路中安装计数器，使得亮度差维持一
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：
恒流源的输出电流为恒定。在一些输入方面如果应用该电路则能够有效保护输入器件。比如RS422通讯中采用该电路将有效保护该通讯。在一定电压方位内可以起到过压保护作用。以下引用一段恒流源分析。 恒流源是输出电流保持不变的电流源，而理想的恒流源为： a)不因负载(输出电压)变化而改变。 b)不因环境温度变化而改变。 c)内阻为无限大。 恒流源之电路符号： 理想的恒流源实际的流源 理想的恒流源，其内阻为无限大，使其电流可以全部流出外面。实际的恒流源皆有内阻R。 三极管的恒流特性： 从三极管特性曲线可见，工作区内的IC受IB影响，而VCE对IC的影响很微。因此，只要IB值固定，IC亦都可以固定。 输出电流IO即是流经负载的IC。
电流镜电路Current Mirror： 电流镜是一个输入电流IS与输出电流IO相等的电路： Q1和Q2的特性相同，即VBE1 = VBE2，β1 = β2。 优点： 三极管之β受温度的影响，但利用电流镜像恒流源，不受β影响，主要依靠外接电阻R经 Q2去决定输出电流IO（IC2 = IO）。 例： 三极管射极偏压设计 范例1:
从左边看起:基极偏压 所以 VE=VB - 0.6=1.0V 又因为射极电阻是1K,流经射极电阻的电流是 所以流经负载的电流就就是稳定的1mA 范例2. 这是个利用稳压二极管提供基极偏压5.6V VE=VB - 0.6=0.5V
流经负载的电流 范例3. 这个例子有一点不同:利用PNP三极管供应电流给负载电路.首先,利用二极管0.6 V的压降,提供8.2 V基极偏压(10 – 3 x 0.6 = 8.2). 4.7 K电阻只是用来形成通路,而且不希望(也不会)有很多电流流经这个电阻。 VE=VB + 0.6=8.8V PNP晶体的560欧姆电阻两端电位差是1.2V, 所以电流是2mA 晶体恒流源应用注意事项 如果只用一个三极管不能满足需求,可以用两个三极管架成:
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
三极管常用电路 1.三极管偏置电路_固定偏置电路 如上图为三极管常用电路中的固定偏置电路:Rb的作用是用来控制晶体管的基极电路Ib,Ib称为偏流,Rb称为偏流电阻或偏置电阻.改变Rb的值,就可以改变Ib的大小.图中Rb 固定,称为固定偏置电阻. 这种电路简单,使用元件少,但是由于晶体管的热稳定性差,尽管偏置电阻Rb固定,当温度升高时,晶体管的Iceo急剧增加,使Ie也增加,导致晶体管工作点发生变化.所以只有在温度变化不大,温度稳定性不高的场合才用固定偏置电路 2.三极管偏置电路_电压负反馈偏置电路 如上图为三极管常用电路中的电压负反馈偏置电路:晶体管的基极偏置电阻接于集电极. 这个电路好象与固定偏置电路在形式上没有多大差别,然而正是这一点,恰恰起到了自动补偿工作点漂移的效果.从图中可见,当温度升高时,Ic增大,那么Ic上的压降也要增大,使得Uce下降,通过Rb,必然Ib也随之减小,Ib的减小导致Ic的减小,从而稳定了Ic,保证了
Uce基本不变. 这个过程,称为负反馈过程,这个电路就是电压负反馈偏置电路. 2.三极管偏置电路_分压式电流负反馈偏置电路 如上图为三极管常用电路中的分压式电流负反馈偏置电路:这个电路通过发射极回路串入电阻Re和基极回路由电阻R1,R2的分压关系固定基极电位以稳定工作点,称为分压式电流负反馈偏置电路.下面分析工作点稳定过程. 当温度升高,Iceo增大使Ic增加.Ie也随之增加.这时发射极电阻Re上的压降Ue=Ie*Re 也随之升高.由于基极电位Ub是固定的,晶体管发射结Ube=Ub-Ue,所以Ube必然减小,从而使Ib减小,Ic和Ie也就减小了. 这个过程与电压负反馈类似,都能起到稳定工作点的目的.但是,这个电路的反馈是Ue=Ie*Re,取决于输出电流,与输出电压无关,所以称电流负反馈. 在这个电路中,上,下基极偏置电阻R1,R2的阻值适当小些,使基极电位Ub主要由它们的分压值决定.发射极上的反馈电阻Re越大,负反馈越深,稳定性越好.不过Re太大,在电源电压不变的情况下,会使Uce下降,影响放大,所以Re要选得适当. 如果输入交流信号,也会在Re上引起压降,降低了放大器的放大倍数,为了避免这一点,Re 两端并联了一个电容Ce,起交流旁路作用. 这种电路稳定性好,所以应用很广泛. 一、采用仪表放大器还是差分放大器 尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器。
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
第一节基本三极管开关基本电路设计 三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。由下图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上， 图1 基本的三极管开关 输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止(cut off)区。 同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区(saturation)。838电子 一、三极管开关电路的分析设计 由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于0.3伏特。(838电子资源) 当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集电极电流应该为﹕
三极管应用电路和基本放大电路 2G 郭标2005-11-29 三极管应用电路和基本放大电路 (1) 一、三极管三种基本组态 (2) 二、应用电路 (3) A、偏置使用 (3) B、放大电路应用 (5) 三、射频FET小信号放大器设计 (7) 1、基本概念： (7) 2、基于S－参数和圆图的分析方法 (8) 四、集成中小功率放大器 (9) 附1：容易发生自激的电路形式 (11) 附2 电路分析实例 (11)
一、三极管三种基本组态 共发 共集 共基 特点：共发－对电压电流都有放大，适合制做放大器 共集－电压跟随器 共基－电流继随器 直流工作点选取 交流小信号混和PI 型等效模型 e
二、应用电路 A 、偏置使用 1、有源滤波电路： R1 R2 特点：直流全通，交流对地呈高容性。 使用时可在b 和e 对地接大电容，增强滤波。 2、有源负载电路： Vcc 特点：直流负载很小，交流负载大，提高放大器的Rc 3、恒流源电路 独立电流源 镜像电流源 特点：较大的偏置电压变化，有较小的电流变化
4、电平控制与告警电路 特点：利用导通截至特性，控制电平可调整 5、电流补偿偏置电路 特点：补偿偏置三极管能够补偿放大管因长期工作时，gm变低导致的Ic变低而改变工作点。
特点：适用于设计低噪声、高增益、高稳定性、较低频的放大电路。选择特定的材料可以做到高频。 1、共发放大的形式： ☆发射级接电阻的： 电压放大倍数接近为Rc/Re ☆接有源负载的： 共发有源负载的作用：直流负载很小，交流负载大 以此提高Rc，增大电压放大倍数 电压和电流同时放大的形式只有共发。 2、cb和cc的放大器一般只作为辅助。电流接续和电压接续或隔离作用。 3、级联考虑： 差分放大一般在组合放大的第一级，目的不在提供增益，而是良好的输入性能，如共模抑制比，温度漂移等；（互补型）共集电路（前置隔离级）做为最后一级，可兼容不同负载。而中间级一般是为了取得较高的增益，所以采用（有源偏置的）共发放大器。 放大电路中采用恒流偏置电路提高稳定性。 互补型共集电路 互补型共集电路特点：作为隔离级，提高动态范围
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：
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
三极管三种电路的特点 1．共发射极电路特点 共射极电路又称反相放大电路，其特点为电压增益大，输出电压与输入电压反相，低频性能差，适用于低频、和多级放大电路的中间级 共发射极放大电路 共发射极的放大电路，如图2所示。 图2 共发射极放大电路 因具有电流与电压放大增益，所以广泛应用在放大器电路。其电路特性归纳如下： 输入与输出阻抗中等（Ri约1k～5k ；RO约50k）。 电流增益： 电压增益： 负号表示输出信号与输入信号反相（相位差180°）。 功率增益： 功率增益在三种接法中最大。 共发射极放大电路偏压
图4自给偏压方式 又称为基极偏压电路，最简单的偏压电路，稳定性差，容易受β值的变动影响，温度每升高10℃时，逆向饱和电流ICO增加一倍。温度每升高1℃时，基射电压VBE减少2.5mV ，β随温度升高而增加(影响最大) 。
图5带电流反馈的基极偏压方式 三极管发射极加上电流反馈电阻，特性有所改善，但还是不太稳定。 图6分压式偏置电路 此为标准低频信号放大原理图电路，其R1（下拉电阻）及R2为三极管偏压电阻，为三极管基极提供必要偏置电流,R3为负载电阻，R4为电流反馈电阻（改善特性），C3为旁路电容，C1及C3为三极管输入及输出隔直流电容（直流电受到阻碍）,信号放大值则为R3/R4倍数.设计上注意: 三极管Ft值需高于信号放大值与工作频率相乘积,选择适当三极管集电极偏压、以避免大信号上下顶部失真,注意C1及C3的容量大小对低频信号(尤其是脉波)有影响.在R4并联一个C2，放大倍数就会变大。而在交流时C2将R4短路。 为什么要接入R1及R4? 因为三极管是一种对温度非常敏感的半导体器件，温度变化将导致集电极电流的明显改变。温度升高，集电极电流增大；温度降低，集电极电流减小。这将造成静态工作点的移动，有可能使输出信号产生失真。在实际电路中，要求流过R1和R2串联支路的电流远大于基极电流IB。这样温度变化引起的IB的变化，对基极电位就没有多大的影响了，就可以用R1和R2的分压来确定基极电位。采用分压偏置以后，基极电位提高，为了保证发射结压降正常，就要串入发射极电阻R4。 R4的串入有稳定工作点的作用。如果集电极电流随温度升高而增大，则发射极对地电位升高，因基极电位基本不变，故UBE减小。从输入特性曲线可知，UBE的减小基极电流将随之下降，根据三极管的电流控制原理，集电极电流将下降，反之亦然。这就在一定程度上稳定了工作点。分压偏置基本放大电路具有稳定工作点的作用，这个电路具有工作点稳定的特性。当流过R1和R2串联支路的电流远大于基极电流IB（一般大于十倍以上）时，可以用下列方法计算工作
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。
1.三极管工作状态的判断方法： 分析电路时，判断三极管的功能，如果能够知道该三极管三个管脚的电压和该三极管起得作用（放大还是开关），。对于NPN而言，如果Uc>Ub>Ue,该管处于放大状态，放大一定的电流，一般是在模拟电路中起了作用（此时Uce之间的电压是不确定的）；如果Ub>Ue, Ub>Uc,该管处于饱和状态，c-e之间导通，其管压降为0.3-0.7V,与截止区相对立，此时该 二极管起到了开关的作用， 如图所示： 般应用在数字电路中。 3.72 12 * 饱和 3. 3 放大区截■ 止 3 区 3 区 对于PNP而言，当Ue>Ub>Uc即集电极反偏、发射极正偏，处于放大状态；当Ue>Ub 且 Uc>Ub（这时候，Uc^ Ue）,即集电极和发射极都正偏，处于饱和状态。 2.三极管的使用方法： 我们经常在单片机系统中连接三极管起到开关的作用，经典电路如下图所示： 如果在单片机系统中出现三极管时，那么该三极管大多数甚至几乎全部情况下都会处于 开-关状态。因为单片机输出的都是数字量，要么是0,要么是1,不可能出现别的情况。因 此对应的三极管也要么开通，要么关断。 在上面电路中，如果按照开始时说的三极管状态的判别方法，是不行的。因为c点得工 作电压是不确定的（实际上在真正的电路中c点电压是确定的，但是从电路图中我们看不出 来）。真正的判断方法如下：当I/0引脚为高电平时，b点基极的电流是一定的，那么c点电 流也是一定的，而且是处在了三极管的饱和区，因此b点的电压为0.7v,三极管导通，贝U c 点的电压与e点压相同（比e点略大，约为0.5v,即为Uce）,即OUT （输出端处于低电平）端为低电平状态。当I/0引脚为低电平时，NPN三极管断开，c-e之间不导通，那么此时 c 点（OUT）电位为高电平即VCC电压。这从而达到了用单片机引脚来控制Vcc的效果。 综上所述：当I/O为高电平，b-e之间有电压，三极管导通，c-e管压降小，OUT为低电平（Q 0.5）;当I/O为低电平时，b-e之间没电压，三极管关断，c-e管压降非常大，OUT为高电平=Vcc; 上面就是NPN的使用方法。我们可以这么理解：在使用NPN时，要尽可能将e端接地，当b 端比e端至少高0.7v时，管子导通；否则管子断开。 同理,我们可以得出PNP三极管的使用电路和方法：
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。
光敏三极管的应用 电路图： 二.工作原理 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。 三.工作原理 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。四．实验结果 发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。 五.分析数据
光敏三极管另一个优点，他还可以接受红外线，我认为这点很有用处。因为在晚上没有可见光，但是仍然有红外线，因此可以作为夜视装置，可以用来防盗。 六.总结 通过对半导体二极管和三极管的学习，我了解了晶体管的基本结构和工作原理，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN 结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c 半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶体管就是一种重要的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，我觉得通过光来控制电路真是太精妙了，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。