硬件工程師筆記——二極管Multisim電路仿真實驗匯總

1 二極管基礎知識

1.1 工作原理

1.2 二極管的結構

1.3 PN結的形成

1.4 二極管的工作原理詳解

正向偏置

反向偏置

multisim使用說明鏈接

2 二極管特性實驗

2.1 二極管加正向電壓

2.2 二極管加反向電壓

2.3 二極管兩端的電阻

2.4 交流電下二級管工作

2.5 二極管伏安特性

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3 二極管應用

3.1 二極管整流

二極管半波整流

二極管全波整流

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3.2 二極管限幅

二極管單向限幅

二極管雙向限幅

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3.3 二極管鉗位

二極管波峰鉗位

二極管波谷鉗位

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3.4 二極管振幅調制解調

二極管振幅調制

振幅調制（AM）的概念

二極管振幅調制

4.2 二極管振幅解調

振幅解調（AM 解調）的概念

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3.5 二極管構成門電路

5.1 二極管與門AND Gate

5.2 二極管或門OR Gate

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3.6 二極管穩壓

穩壓二極管的工作原理

（一）反向擊穿特性

雪崩擊穿（Avalanche Breakdown）

（二）電路連接

穩壓二極管的特性

動態電阻（rZ）

穩壓二極管

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3.7 二極管發光

發光二極管的工作原理

（一）半導體材料

（二）發光機制

間接帶隙材料

發光二極管特性

（一）正向特性

（二）反向特性

（三）光特性

發光二極管

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3.8 二極管光電控制

硬件工程師筆試面試相關文章鏈接

1 二極管基礎知識

二極管是一種具有單向導電性的半導體器件

1.1 工作原理

二極管是一種具有單向導電性的半導體器件，其工作原理基于PN結的特性。

1.2 二極管的結構

N型半導體? ? ? ? ? ? ? P型半導體

二極管的基本結構是一個PN結，由P型半導體和N型半導體組成。P型半導體中摻雜了三價元素（如硼），產生空穴作為多數載流子；N型半導體中摻雜了五價元素（如磷），產生自由電子作為多數載流子。當P型和N型半導體結合時，形成PN結。

1.3 PN結的形成

當P型和N型半導體接觸時，會發生以下過程：

擴散運動：P型半導體中的空穴會向N型半導體擴散，N型半導體中的自由電子會向P型半導體擴散。

形成耗盡區：擴散過程中，空穴和自由電子在接觸面附近復合，形成一個沒有自由載流子的區域，稱為耗盡區（或阻擋層）。

內建電場：耗盡區中存在一個內建電場，方向從N區指向P區，阻止進一步的擴散運動。

1.4 二極管的工作原理詳解

二極管的工作原理基于PN結的單向導電性，即在正向偏置時導通，在反向偏置時截止。

正向偏置

定義：當二極管的P區接電源正極，N區接電源負極時，稱為正向偏置。

過程：正向偏置時，外加電場的方向與內建電場相反，削弱了內建電場的作用，使耗盡區變窄。此時，P區的空穴和N區的自由電子在電場作用下向對方移動，形成電流。

結果：正向偏置時，二極管導通，電流可以順利通過。但需要克服一定的勢壘電壓（硅二極管約為0.7V，鍺二極管約為0.3V），稱為正向導通電壓。

反向偏置

定義：當二極管的P區接電源負極，N區接電源正極時，稱為反向偏置。

過程：反向偏置時，外加電場的方向與內建電場相同，增強了內建電場的作用，使耗盡區變寬。此時，P區的空穴和N區的自由電子被推向各自一側，難以形成電流。

結果：反向偏置時，二極管截止，電流幾乎為零。但當反向電壓超過一定值（稱為反向擊穿電壓）時，二極管會發生擊穿，電流急劇增加，可能導致二極管損壞。

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2 二極管特性實驗

二極管的伏安特性描述了其電壓與電流之間的關系，下圖所示為二極管理論伏安特性曲線

正向特性：在正向偏置時，當電壓超過正向導通電壓（0.7V或0.3V）后，電流迅速增加，呈現低阻態。

反向特性：在反向偏置時，電流非常小（稱為反向飽和電流），直到反向電壓達到反向擊穿電壓時，電流急劇增加。

2.1 二極管加正向電壓

R2:限流

說明：二極管兩端加正向偏置電壓時，二極管兩端電壓為二級管正向導通電壓（0.7V或0.3V），呈現低阻態。

2.2 二極管加反向電壓

R2:限流

說明：二極管兩端加反向偏置電壓時，二極管兩端電壓為電源電壓，呈現高阻態。

2.3 二極管兩端的電阻

說明：正接時阻值為10.3G歐姆，正接時阻值為29.77M歐姆均具有很高阻值

2.4 交流電下二級管工作

R2:限流

說明：紅線表示二極管兩端電壓，粉紅色線表示限流電阻兩端電壓

紅線：符合二極管的電氣特性，詳細解釋如下

當正向導通電壓>=輸入正弦波>0V時，二極管兩端電壓=輸入正弦電壓

當輸入正弦波>正向導通電壓時，二極管兩端電壓=正向導通電壓

當輸入正弦波<0V時，二極管兩端電壓=輸入正弦電壓的反向電壓

藍線：受二極管影響

當正向導通電壓>=輸入正弦波>0V時，電阻電壓+二極管電壓=輸入正弦電壓

當輸入正弦波>正向導通電壓時，電阻電壓=電源電壓-二極管為正向導通電壓

當輸入正弦波<0V時，電阻電壓=0

2.5 二極管伏安特性

說明：輸入電壓范圍-5V~5V

當0V>輸入電壓>-5V時，二極管為高阻態，電流很小

當正向導通電壓>=輸入電壓>0V時，電流很小，且緩慢增加

當輸入電壓>正向導通電壓時，二極管為低阻態，電流快速增加

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3 二極管應用

3.1 二極管整流

二極管的單向導電性使其能夠將交流電（AC）轉換為直流電（DC）。當交流電的正半周時，二極管導通，電流通過；當交流電的負半周時，二極管截止，電流被阻斷。

二極管半波整流

說明：綠色表示電源電壓，紫色表示R2電阻兩端電壓

紫色線：

當正向導通電壓>=輸入正弦波>0V時，電阻電壓+二極管電壓=輸入正弦電壓

當輸入正弦波>正向導通電壓時，電阻電壓=電源電壓-二極管為正向導通電壓

當輸入正弦波<0V時，電阻電壓=0

二極管全波整流

說明：輸入電源為兩個幅值和頻率相同，相位相差120度的正弦波，兩個電源輸出直接與二極管串聯

輸出波形（R2兩端）：等同于將兩個相位相差120度的半波整流波形進行疊加。

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3.2 二極管限幅

二極管單向限幅

說明：綠色表示電源輸入，橙色表示單向限幅輸出波形

關鍵電路：二極管（反向）與5V直流電串聯，然后和R2并聯

分析：

當0V>輸入正弦電壓>-10V時，關鍵電路電壓=電源電壓，其中輸入正弦電壓<-5V-正向導通電壓時，關鍵電路電壓會稍微衰減

當正向導通電壓+5V>=輸入正弦電壓>0V時，關鍵電路短路，輸出電壓=電源電壓

當輸入正弦電壓>正向導通電壓時+5V時，關鍵電路電壓=直流電源5V電勢+

正向導通電壓

二極管雙向限幅

說明：紅色表示電源輸入，藍色表示雙向限幅輸出波形

關鍵電路：兩個二極管分別（反向）與兩個5V直流電串聯，然后和R2并聯

分析：同上

當正向導通電壓時+5V>輸入正弦電壓>-正向導通電壓時-5V時，關鍵電路電壓=電源電壓，其中，D1和D2支路可以等效短路

當輸入正弦電壓>-正向導通電壓時-5V時，關鍵電路電壓=-直流電源5V電勢+-正向導通電壓

當輸入正弦電壓>正向導通電壓時+5V時，關鍵電路電壓=直流電源5V電勢+

正向導通電壓

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3.3 二極管鉗位

鉗位電路概念：

鉗位電路（clamping circuit）是一種將脈沖信號的某一部分固定在指定電壓值上，并保持原波形形狀不變的電路。它通過控制信號的幅值，將信號限制在特定范圍內，從而確保輸出信號的幅值不會超出設定的上下限。

工作原理

鉗位電路的工作原理基于二極管的導通特性和電容的充放電過程。以常見的二極管鉗位電路為例：

正鉗位電路：當輸入信號的負半周期到來時，二極管正向偏置導通，電容充電至輸入信號的峰值減去二極管的正向導通電壓（通常為0.7V）。在輸入信號的正半周期，二極管反向偏置截止，電容通過負載電阻放電，從而使輸出信號的頂部被鉗制在某個固定電平。

負鉗位電路：與正鉗位電路相反，當輸入信號的正半周期到來時，二極管正向偏置導通，電容充電。在輸入信號的負半周期，二極管反向偏置截止，電容放電，從而使輸出信號的底部被鉗制在某個固定電平。

二極管波峰鉗位

功能：二極管正鉗位電路將輸出信號的頂部限制在10V左右。

說明：紅色為輸入波形，藍色為輸出波形

分析：

二極管波峰鉗位電路原理解釋（右圖加二極管）

輸出波形向上平移5V左右

解釋：

疊加定理：只保留一個電源作用，根據基爾霍夫電壓定律（KVL）計算電路電壓分布；電壓源看作短路，電流源看作開路。

當電源V1單獨工作時：D1與R3并聯

當輸入電壓V1為高電平(5V)時：C1充電，D1和R3分壓較小的正向電壓

當輸入電壓V1為低電平(0V)時：C1放電，D1和R3分壓較小的反向電壓

當電源V3單獨工作時：C1和R3并聯，R3分壓分5V

所以，輸出電阻R3兩端的電壓向上平移5V左右

二極管波谷鉗位

功能：將輸入幅值為5V，頻率為100HZ的矩形脈沖信號，通過負鉗位電路將輸出信號的底部限制在-5V左右。

說明：紅色表示輸入波形，藍色表示輸出波形

分析：

二極管波谷鉗位電路原理解釋（右圖加二極管）

輸出電阻R2兩端電壓波形向下平移5V左右

依據：二極管的單相導通性，電容的充放電

當輸入電壓V1為高電平(5V)時：C1充電，D1導通，D1和R1之間的電壓幾乎為0V

當輸入電壓V1為低電平(0V)時：C1放電，D1截止，D1和R1之間的電壓幾乎為-5V

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3.4 二極管振幅調制解調

二極管振幅調制

左圖表示：低頻信號和高頻載波信號

右圖表示：藍色表示混合信號，橙色表示調制信號

振幅調制（AM）的概念

振幅調制是一種將低頻信號（如語音、音樂等）的幅度信息加載到高頻載波信號的幅度上的過程。在振幅調制中，載波信號的幅度會隨著低頻信號的幅度變化而變化。

（一）調制過程

基本原理

以一個簡單的正弦波低頻信號 m(t) 和一個高頻載波信號 c(t) 為例。

低頻信號可以表示為m(t)=Amsin(2πfmt)，其中 Am是低頻信號的振幅，fm是低頻信號的頻率。

高頻載波信號可以表示為c(t)=Acsin(2πfct)，其中Ac是載波信號的振幅，fc是載波信號的頻率，且fc遠大于fm。

振幅調制后的信號s(t) 可以表示為 s(t)=[Ac+k?m(t)]sin(2πfct)。這里 k 是調制系數，它決定了低頻信號對載波信號幅度調制的深度。當 k=1 時，調制后的信號為 s(t)=[Ac+Amsin(2πfmt)]sin(2πfct)。

頻譜特性

振幅調制信號的頻譜由載波頻率fc和兩個邊帶頻率組成。邊帶頻率分別是 fc+fm（上邊帶）和 fc?fm（下邊帶）。例如，如果載波頻率是 1MHz，低頻信號頻率是 1kHz，那么調制后的信號頻譜中心在 1MHz，上邊帶頻率是 1.001MHz，下邊帶頻率是 0.999MHz。這種頻譜特性使得振幅調制信號可以通過濾波等手段進行分離和處理。

二極管振幅調制

二極管振幅調制是利用二極管的非線性特性來實現振幅調制的一種方法。

基本電路結構

一個典型的二極管振幅調制電路包括一個二極管、一個低頻信號源、一個高頻載波信號源和一個耦合電容。低頻信號源和高頻載波信號源通過電路連接到二極管的兩端，耦合電容的作用是隔離直流分量，只讓交流信號通過。

工作原理

當低頻信號和高頻載波信號同時加到二極管兩端時，二極管的非線性伏安特性會使得輸出信號的幅度發生變化。二極管的伏安特性可以用 i=Is(ev/nVT?1) 來近似表示，其中i是二極管電流，Is是反向飽和電流，v 是二極管兩端電壓，n 是理想因子，VT是熱電壓。

在低頻信號和高頻載波信號的共同作用下，二極管兩端的電壓會隨著低頻信號的變化而變化。當低頻信號幅度較大時，二極管的導通程度會相應改變，從而改變輸出信號的幅度。這種變化反映了低頻信號的幅度信息，實現了振幅調制。

電路仿真如下圖所示：

藍色表示混合信號，橙色表示調制信號

4.2 二極管振幅解調

振幅解調（AM 解調）的概念

振幅解調是將調制在高頻載波信號幅度上的低頻信號還原出來的過程。其目的是從振幅調制信號中提取出原始的低頻信號。

基本原理

振幅解調的核心是將調制信號 s(t)=[Ac+k?m(t)]sin(2πfct) 中的低頻信號 m(t) 提取出來。這可以通過對調制信號進行包絡檢波來實現。包絡檢波是利用調制信號的包絡（即信號幅度的變化規律）來提取低頻信號。

頻譜特性

在解調過程中，調制信號的頻譜經過處理后，高頻載波信號和邊帶信號會被濾除，只剩下低頻信號的頻譜。例如，對于前面提到的振幅調制信號，經過解調后，只剩下頻率為 fm的低頻信號。

四、二極管振幅解調

二極管振幅解調是利用二極管的單向導電性來實現振幅解調的一種方法。

（一）電路組成

基本電路結構

一個簡單的二極管振幅解調電路包括一個二極管、一個電容和一個電阻。調制信號通過電路連接到二極管的陽極，二極管的陰極通過電容和電阻接地。電容的作用是平滑輸出信號，電阻的作用是提供放電回路。

工作原理

當調制信號輸入到二極管時，二極管會在正半周導通。在導通期間，二極管將調制信號的正半周信號傳遞到電容上，電容充電。當調制信號進入負半周時，二極管截止，電容通過電阻放電。由于電容的充放電作用，輸出信號的幅度會隨著調制信號的包絡變化而變化。

經過一段時間后，電容上的電壓會穩定在一個與調制信號包絡成正比的值。這個電壓值反映了原始低頻信號的幅度信息，從而實現了振幅解調。

電路仿真如下圖所示：

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3.5 二極管構成門電路

二極管可以用來構建簡單的邏輯門電路，如與門（AND）和或門（OR）。這些電路利用了二極管的單向導電性（正向導通，反向截止）來實現邏輯運算。

5.1 二極管與門AND Gate

二極管與門電路是一種簡單的數字邏輯電路，只有當所有輸入均為高電平時，輸出才為高電平。

（一）電路結構

基本組成

二極管與門通常由兩個或多個二極管和一個電阻組成。二極管的陰極連接在一起，形成一個公共節點，然后通過電阻連接到電源正極（Vcc）。所有二極管的陽極分別連接到輸入信號端。

電路的輸出端從公共節點引出。

（二）工作原理

輸入與輸出關系

輸入信號：假設輸入信號為高電平（Vcc）或低電平（0V）。

輸出信號：只有當所有輸入信號均為高電平時，輸出才為高電平；否則，輸出為低電平。

電路分析

所有輸入均為高電平：此時所有二極管均處于反向偏置狀態（截止），電源電壓通過電阻向輸出端供電，輸出為高電平。

至少一個輸入為低電平：假設某個輸入為低電平（0V），則對應的二極管正向導通，將輸出端拉低至接近0V，輸出為低電平。

電路仿真圖如下圖所示：

閉合一個開關，即一個二極管導通，輸出低電平

閉合兩個開關，即兩個二極管均導通，輸出高電平

斷開兩個開關，即沒有二極管導通，輸出低電平

5.2 二極管或門OR Gate

二極管或門電路是一種簡單的數字邏輯電路，只要有一個輸入為高電平，輸出就為高電平。

（一）電路結構

基本組成

二極管或門通常由兩個或多個二極管和一個電阻組成。二極管的陽極連接在一起，形成一個公共節點，然后通過電阻連接到電源負極（GND）。所有二極管的陰極分別連接到輸入信號端。

電路的輸出端從公共節點引出。

（二）工作原理

輸入與輸出關系

輸入信號：假設輸入信號為高電平（Vcc）或低電平（0V）。

輸出信號：只要有一個輸入信號為高電平，輸出就為高電平；只有當所有輸入均為低電平時，輸出才為低電平。

電路分析

至少一個輸入為高電平：假設某個輸入為高電平（Vcc），則對應的二極管正向導通，將輸出端拉高至接近Vcc，輸出為高電平。

所有輸入均為低電平：此時所有二極管均處于反向偏置狀態（截止），輸出端通過電阻接地，輸出為低電平。

電路仿真圖如下圖所示：

斷開兩個開關，即沒有二極管導通，輸出低電平

閉合一個開關，即一個二極管導通，輸出高電平

閉合兩個開關，即兩個二極管導通，輸出高電平

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3.6 二極管穩壓

穩壓二極管（Zener Diode）是一種特殊的半導體二極管，主要用于電壓穩定和參考電壓源。它通過利用二極管的反向擊穿特性來實現穩定的電壓輸出。

穩壓二極管的工作原理

穩壓二極管的核心特性是其反向擊穿特性。與普通二極管不同，穩壓二極管在反向偏置時，會在特定的電壓下發生擊穿，但不會損壞。

（一）反向擊穿特性

齊納擊穿（Zener Breakdown）

當反向電壓達到一定值時，二極管的PN結會發生擊穿。這種擊穿主要是由于量子力學中的隧道效應引起的，通常發生在較薄的PN結中。齊納擊穿的電壓稱為齊納電壓（VZ），一般在2V到6V之間。

雪崩擊穿（Avalanche Breakdown）

當反向電壓較高時，PN結中的少數載流子獲得足夠的能量，撞擊價帶中的電子，使其躍遷到導帶，從而產生雪崩效應。雪崩擊穿通常發生在反向電壓較高時，一般在6V以上。

穩壓原理

在反向擊穿區，穩壓二極管的電流可以在很大范圍內變化，但其兩端電壓基本保持不變。這種特性使得穩壓二極管能夠在電路中提供穩定的電壓。

（二）電路連接

穩壓二極管通常反向連接到電路中，即其陰極連接到電源正極，陽極連接到電源負極。為了限制電流，通常需要串聯一個限流電阻。

穩壓二極管的特性

伏安特性

在正向偏置時，穩壓二極管的特性與普通二極管類似，具有較低的正向導通電壓（約0.6V到0.7V）。

在反向偏置時，當電壓達到齊納電壓或雪崩電壓時，電流會急劇增加，但電壓基本保持不變。

動態電阻（rZ）

動態電阻是指穩壓二極管在反向擊穿區的電阻。其值越小，穩壓性能越好。通常，rZ的值在幾歐姆到幾十歐姆之間。

穩壓范圍

穩壓二極管的穩壓范圍是指在一定電流范圍內，其兩端電壓能夠保持穩定的區間。通常，穩壓二極管的穩壓范圍較寬，能夠適應不同的負載條件。

穩壓二極管

ZPD5.1二極管可以將兩端電壓穩定在5.1V

如上圖所示，穩壓二極管正接，兩端電壓為二極管導通電壓；穩壓二極管反接，兩端電壓為穩壓二極管擊穿穩定電壓。

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3.7 二極管發光

發光二極管（Light Emitting Diode，簡稱LED）是一種能夠將電能轉化為光能的半導體器件。

發光二極管的工作原理

發光二極管的核心原理是基于半導體的電致發光效應。

（一）半導體材料

PN結結構

發光二極管由半導體材料構成，通常采用PN結結構。P型半導體中有多余的空穴，N型半導體中有多余的電子。當P型和N型半導體結合時，形成PN結。

復合發光

當外加正向電壓時，電子和空穴在PN結處復合，釋放出能量。如果這種能量以光子的形式釋放，就會產生發光現象。發光的顏色取決于半導體材料的禁帶寬度。

（二）發光機制

直接帶隙材料

大多數發光二極管采用直接帶隙半導體材料（如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、氮化鎵（GaN）等）。在這些材料中，電子和空穴復合時，能量直接以光子的形式釋放，發光效率較高。

間接帶隙材料

間接帶隙材料（如硅、鍺）中，電子和空穴復合時，能量通常以聲子的形式釋放，發光效率較低。因此，間接帶隙材料不適合用于發光二極管。

發光二極管特性

（一）正向特性

正向導通電壓

發光二極管在正向偏置時，具有一定的導通電壓。不同顏色的LED導通電壓不同：

紅光LED：約1.8V到2.2V。

綠光LED：約2.0V到2.5V。

藍光LED：約3.0V到3.5V。

白光LED：約3.0V到3.5V。

正向電流

發光二極管的亮度與正向電流成正比。通常，正向電流范圍為幾毫安到幾十毫安。例如，常見的小功率LED的正向電流為20mA。

（二）反向特性

反向耐壓

發光二極管的反向耐壓較低，通常在幾伏到十幾伏之間。如果反向電壓超過其耐壓值，LED可能會被擊穿損壞。

反向漏電流

在正常工作條件下，反向漏電流非常小，通常可以忽略不計。

（三）光特性

發光強度

發光強度通常用流明（lm）或坎德拉（cd）表示。發光強度與正向電流成正比，電流越大，發光強度越高。

發光角度

發光角度是指LED發光的覆蓋范圍。不同類型的LED發光角度不同，從幾度到180度都有。例如，指示燈型LED發光角度較小，而照明用LED發光角度較大。

發光二極管

如上圖所示，輸入正弦波形，使用三極管和電阻組成發光二極管電路，可以實現發光二極管同輸入波形頻率的閃爍頻率

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3.8 二極管光電控制

如上圖所示為二極管的光電控制電路，其中最關鍵的部分是OPS665，

OPS665是一種由TT Electronics/Optek Technology生產的紅外發射二極管和NPN硅光電晶體管組成的匹配對。

如上圖所示，可以通過開關J1的導通來間接的控制X1燈的亮滅狀態。

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