大学模拟电路答案第一章.doc

第一章                    半导体材料及二极管
习题类型
1．1    半导体材料的导电特性；
1．2～1.9   简单二极管电路的分析、计算；
1．10、1．11    二极管限幅电路的分析、计算；
1．12～1.16     稳压二极管电路的分析、计算；
1．17、1．18    稳压管稳压电路的设计。
1.1 某N型Si材料的施主密度/cm3。在T=300K和T=550K时Si的本征浓度分别为/cm3和1015/cm3。计算在这两种温度下的自由电子浓度和空穴浓度，并说明材料导电特性的变化。
解：（1）T=300K
 ，肯定成立
/cm3，/cm3。
（2）T=550K
，应联立求解和。
将，代入上二方程可得：
由上式解出/cm3
 /cm3。
结论：在T=300K时，，材料呈现杂质导电特性。
在T=550K时，，材料已呈现本征导电特性。
1.2当T＝300K时，Ge和Si二极管的反向饱和电流分别为1μA和0.5pA。如果将此两个二极管串联连接，有1mA的正向电流流过，试问它们的结电压各为多少？
解：，两管已充分导通，故伏安关系近似为，由此
，取mV（T=300K）
  V                                
V。

                               题图1.2

1.3 在T=300K时，利用PN结伏安方程作以下估算：
（1）若反向饱和电流A，求正向电压为0.1V，0.2V和0.3V时的电流。
（2）当反向电流达到反向饱和电流的90%时，反向电压为多少？
（3）若正、反向电压均为0.05V，求正向电流与反向电流比值的绝对值。
解：
（1）V=0.1V时，A；
V=0.2V时，mA；
V=0.3V时，A；
（2）按题意
由上式解出V
（3）         
1.4二极管的伏安特性可用来表示，设。如果用一个的干电池正向接在该二极管的两端，试计算将有多大电流通过？电流值是否与实际情况相符？

解：计算值，实际上，电流一旦超过允许的最大整流电流，管子就因过热而烧毁。
1.5题图1.5中所有二极管的反向饱和电流均为，求输出电压时相应的输入电压。

题图1.5
解：

1.     6二极管电路如题图1.6所示，判断各图中的二极管是导通还是截止，并求出A、O两端电压。设二极管的导通压降为0.7V。

                    (a)                   (b)

                   (c)                   (d)
                          题图1.6
解：(a)首先将二极管D断开，求二极管两端将承受的电压
         VD＝－6-(-12)=6V>VD(ON)＝0.7V，二极管D导通
         VAO＝－6-0.7=－6.7V
(b)断开二极管D，二极管两端将承受的电压
          VD＝－15-(-12)=－3V<VD(ON)＝0.7V，二极管D截止
          VAO＝－12V
(c)两个二极管D1、D2未接入时所承受的电压分别为

      两个二极管D1、D2接入后，由于
      ，故二极管导通
     ，故二极管截止
     则
(d) 两个二极管D1、D2未接入时所承受的电压分别为

      两个二极管D1、D2接入后，由于
      ，故二极管截止
     ，故二极管截止
     则

1.7二极管电路如图1.7所示，偏置电流为I，正弦信号与和C串联。设C足够大，在正弦信号作用下可视为短路。（1）证明：（2）当T＝300K，，且时，分别计算。

题图1.7
解：（1）二极管D的交流电阻，由交流通路可知

                              题图1.7.1

（2）当时，

1.8二极管电路如题图1.8所示，设二极管的正向导通电压为0.7V，电容和容量足够大，对信号可视为短路，。
(1)试画出直流等效电路和交流等效电路；
(2)求输出电压的值。

题图1.8
解：（1）直流等效电路

                             图1.8.1
由节点方程可知

（2）       交流等效电路

                                  图1.8.2
          由于，则

1.9题图1.9所示电路中，是振幅为10V的低频正弦电压，二极管视为恒压器件（V）。试画出的波形。

题图1.9
解一：  二极管在回路中有2V正偏，又D导通电压为0.7V，
V时，D导通。
当V时，D截止，。
   的波形为题图1.9.1。

                 题图1.9.1
解二：  ，V时，D导通，。                                             
V时，D截止，。
波形为题图1.9.2。

题图1.9.2
1.10题图1.10（a）和（b）分别是二极管全波整流电路和桥式整流电路。假设二极管为理想开关，试分析对于输入信号的正半周和负半周，每支二极管的状态，并画出输出电压的波形。

                          题图1.10
解：(a)输入正半周时，D1导通，D2截止。输入负半周时，D2导通，D1截止。
       (b)输入正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。输入负半周时，D2、D4导通，D1、D3截止。

（a）（b）两整流电路波形相同，如题图1.10.1所示。

                                     题图1.10.1 
1.11题图1.11所示的二极管单向限幅电路，已知，二极管视为恒压器件（V）。试画出的波形。

               题图1.11
解：当时，D截止，
当时，D导通，

       题图1.11.1
1.12并联型二极管双限幅电路如题图1.12所示，已知，二极管视为恒压器件（）。
（1）试画出的波形。
（2）试总结:要使上限幅电压为Vmax和下限幅电压为Vmin的并联型二极管双限幅电路构成原则以及对输入电压的要求。

                           题图1.12
解：（1）当时，截止，导通，
    当时，均截止，

  当时，导通，截止，
的波形如题图1.12.1所示。

                          题图1.12.1
（2）构成电路如题图1.12.1所示。

                              题图1.12.1
要求，两电压均可正负。
对的要求：，。
1.13题图1.13为串联型二极管双向限幅电路。假设D1和D2为理想开关，试分析并画出与的电压关系曲线。

                               题图1.13
解：状态1  D1、D2均截止，此时V，
V。，D2不能截止。
此状态不存在。
状态2：D1导通，D2截止。                            
此时，V，但要求V，V。
状态3：D1截止，D2导通。此时V，
但要求，V。
状态4：D1、D2均导通。由状态2、3可知，时D1、D2均导通，故此时。
由上述分析可画出与关系曲线如图1.13.1所示。

题图1.13.1                   
1.14题图1.14所示的二极管箝位电路中，设二极管是理想二极管，t=0时，电容两端电压为0,已知其输入信号。
（1）试画出输出电压的波形。
（2）试总结：要使底部电压箝位于Vmin和顶部电压箝位于Vmax的原则以及对输入电压的要求。

                                    题图1.14
解：（1）设定电压的参考极性如图1.14.1所示

                             题图1.14.1
在期间，vi<0，则，二极管D正偏导通，vo=0，电容C被快速充电至。
从开始，，二极管D一直反偏截止，电容C无放电回路，基本保持不变，则

当时，vo=0
当时，
当时，
当时，
画出vo的波形如题图1.14.2所示。

             题图1.14.2
可见，vo的波形是vi的波形向上平移Vm，vo的负向最大值被箝位在0V。如果把二极管D反接，则vo的正向最大值被箝位在0V。
（2）构成电路如题图1.14.3所示。

                           题图1.14.3
底部箝位于的电路，可正可负。顶部箝位于的电路，可正可负。   
对的要求：                                  要求：。
1.15题图1.15所示电路中，低频正弦电压V，Si稳压管V。试画出稳压管两端的电压的波形。

                               题图1.15
解：V时，击穿，V。
V时，导通，V。
时，截止，。
波形如题图1.15.1.

题图1.15.1
1.16题图1.16所示电路中，已知，和为稳压二极管，其稳定工作电压分别为7V和6V，且具有理想的特性，求输出电压。

题图1.16

解：未接入电路时，则
，故稳压
，故稳压
由于，则较先稳压
此时

故此时稳压，则
1.17设硅稳压管和的稳定电压分别为5V和10V，求题图1.17中各电路的输出电压。已知稳压管的正向压降为0.7V。

              (a)                         (b)

                  (c)                        (d)
                            题图1.17
解：(a) 
(b) 
(c)
(d) 
1.18稳压二极管电路如题图1.18所示，已知稳压管的稳定电压，动态电阻，输入电压的标称值为10V，但有的波动。
(1)当时，试求标称电压下流过稳压管的电流和输出电压。在输入电压波动时，输出电压的变化量有多大？
(2)当时，＝？＝？

                              题图1.18
解：（1）由于，故稳压
此时

题图1.18.1  增量等效电路
由增量等效电路可知，

（2）由于，故不能稳压
此时
1.     19稳压二极管电路如题图1.19所示，已知稳压管的。
(1)若，试求允许的变化范围；
(2)若，试求允许的变化范围。

题图1.19
解：(1)

代入上述数值可得：
(2)由可得

代入上述数值可得：
1.20由稳压管2DW12D构成的稳压电路如题图1.20，已知2DW12D的参数为：，，。输入直流电压变化范围为，负载电阻。试正确选取限流电阻R的值，并要求开路时不会烧管。     

题图1.20
解：已知

则限流电阻的取值范围

代入上述数值可得:      

1.21设计一稳压管稳压电路，要求其中的直流输入电压由汽车上铅酸电池供电，电压在之间波动。负载为一移动式9V半导体收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为0.5W。稳压管的主要参数为：稳定电压，稳定电流的范围为，试选择合适的限流电阻R。
解：设计的稳压管稳压电路如题图1.21所示。

                              题图1.21
当音量最大时，负载上电流的最大值及的最小值分别为

当半导体收音机关掉时，
由教材P27式（1.28）可知，

代入数据后可得