《数逻教案》PPT课件.ppt

3 1晶体管的开关特性 3 1 1晶体二极管开关特性 3 1 2晶体三极管开关特性 3 1 1晶体二极管开关特性 理想开关的特性 1 开关S断开时 通过开关的电流i 0 这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大 2 开关S闭合时 开关两端的电压v 0 这时开关两端点间呈现的电阻为零 3 开关S的接通或断开动作瞬间完成 4 上述开关特性不受其他因素 如温度等 的影响 二极管稳态开关特性 当外加正向电压时 正向电流随电压的增加按指数规律增加 图中Vth称为正向开启电压或门限电压 也称为阈值电压 iD vD Vth IS O 图3 1 2二极管伏安特性 a 二极管电路表示 b 二极管伏安特性 iD vD 稳态开关特性 电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性 二极管的伏安特性方程为 iD vD O iD vD Vth O 图3 1 2二极管伏安特性 c 理想二极管开关特性 d 二极管特性折线简化 当二极管作为开关使用时 可将其伏安特性折线化 当正向偏置时 二极管导通 压降为Vth值 相当于开关闭合 当反向偏置时 二极管截止 流过的电流为反向饱和电流 非常小 相当于开关断开 结论 在稳态情况下 二极管开关特性与理想开关存在一定差异 主要表现为 正向导通时 相当于开关闭合 但两端仍有电位降落 反向截止时 相当于开关断开 存在反向电流 此外 二极管的Vth和IS都与温度有关 通常硅二极管的Vth值取0 7V 锗二极管取0 3V 二极管瞬态开关特性电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性 具体的说 就是晶体管在大信号作用下 由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性 理想二极管作开关时 在外加跳变电压作用下 由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成 没有过渡过程 D R vI 图3 1 3理想二极管开关特性 vD iD a O vI t b O vD t O iD t VF VR VR IF 图3 1 4二极管瞬态开关特性 O vI t O vD t O iD t VF VR t1 t2 t1 t2 IF IR ts tf trr tr 当t t1时 二极管导通 导通电压为vD 0 6 0 7V 以硅管为例 导通电流iD IF VF vD R VF R 当t t1时 vI由VF突变为 VR 由于存储电荷的存在 形成漂移电流 iD vI vD R VR R 使存储电荷不断减少 从vI负跳变开始至反向电流降到0 9IR所需的时间 称为存储时间ts 在这段时间内 PN结维持正向偏置 反向电流IR近似不变 存储时间 图3 1 4二极管瞬态开关特性 O vI t O vD t O iD t VF VR t1 t2 t1 t2 IF IR ts tf trr tr 经过ts时间后 反向电流使存储电荷继续消失 空间电荷区逐渐加宽 二极管转为截止状态 反向电流由IR减小至反向饱和电流值 这段时间称为下降时间tf 通常以从0 9IR下降到0 1IR所需时间确定tf trr ts tf称为反向恢复时间 反向恢复时间是影响二极管开关速度的主要原因 是二极管开关特性的重要参数 下降时间 反向恢复时间 图3 1 4二极管瞬态开关特性 O vI t O vD t O iD t VF VR t1 t2 t1 t2 IF IR ts tf trr tr 在t t2期间 二极管反向截止 vD VR iD IS 空间电荷区很宽 当t t2时 vI由 VR突变为VF 由于二极管两端电压不能突变 电路中产生瞬时大电流 VR VF R 二极管迅速导通 iD由 VR VF R迅速下降到iD IF VF R 从vI正向跳变到二极管正向导通称为二极管的正向恢复时间 通常用vD的上升时间tr来描述 与trr相比 正向恢复时间可忽略不计 上升时间 D R VREF1 图3 1 5限幅电平为VREF1的串联下限限幅器及工作波形 vI a b O vI t vO VREF1 O vO t VREF1 二极管开关应用电路 1 限幅电路将输入波形的一部分传送到输出端 而将其余部分抑制掉 常用的有串 并 联上限 下限和双向限幅器 图3 1 5中 当vI VREF1时 二极管导通 vO vI 当vI VREF1时 二极管截止 vO VREF1 这样就将输入波形中瞬时电位低于VREF1的部分抑制掉 而将高于VREF1的部分波形传送到输出端 实现了下限限幅的功能 演示 D1 R2 VREF2 vI a vO D2 R1 VREF1 A 图3 1 6串联双向限幅器及其工作波形 b O vO t VREF2 VA vI 串联双向限幅器 假设VREF1 VREF2 vI 0时 A点电位为 vI VA时 D1截止 D2导通 vO VA 实现下限限幅 限幅电平为VA vI VREF2时 D1导通 D2截止 vO VREF2 实现上限限幅 限幅电平为VREF2 当VA vI VREF2时 D1 D2均导通 输出vO vI D R VREF1 图3 1 7并联下限限幅器及其工作波形 vI a b O vI t vO O vO t VREF 并联下限限幅器 演示 D R 图3 1 9钳位电路及工作波形 vI a b O vI t vO O vO t Vm C Vm Vm Vm V V T1 T2 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2 钳位电路将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一电平上 图3 1 9中 设电容C初始电压为0 满足R rD rD为二极管导通电阻 时间常数 1 rDC T2 输入脉冲休止期 在t1 t2期间 在vI由0正跳变至Vm时 由于电容两端电压不能突变 故vO正跳变至Vm 二极管导通 电容很快充电至Vm vO很快下降到0 D R 图3 1 9钳位电路及工作波形 vI a b O vI t vO O vO t Vm C Vm Vm Vm V V T1 T2 t1 t2 t3 t4 t5 t6 当t t2时 vI由Vm负跳变至0 vO则由0跳变至 Vm 在t2 t3期间 二极管截止 电容通过电阻R放电 vO缓慢上升 上升值为 当t t3时 vI由0正跳变至Vm vO从 Vm V 值上跳至 V 之后t3 t4期间二极管导通 C很快充电至Vm vO迅速下降至0V 此后电路工作情况周期性重复 可见 输出波形的顶部被钳定在0V D R 图3 1 10钳位电平为VREF VREF 的钳位电路 vI a vO C VREF D R vI b vO C VREF 若需要改变钳位电平 可以在二极管D的支路中串接一个电源VREF 3 1 2晶体三极管开关特性 在脉冲与数字电路中 在大幅度信号作用下 晶体管交替工作于截止区与饱和区 作为开关元件使用 三极管稳态开关特性 如图3 1 11所示基本单管共射电路 传输特性是指电路的输出电压与输入电压的函数关系 基本单管共射电路的传输特性曲线大体上分为三个区域 截止区 放大区和饱和区 图3 1 12单管共射电路传输特性 vI V vO V 10 5 0 0 5 1 1 5 截止 放大 饱和 当vI Vth时 工作于截止区 发射结和集电结均为反向偏置 即vB vE vB vC 此时iB 0 iC 0 vO VCC 晶体管相当于开关断开 当vI Vth而小于某一数值 图中约为1V 时 工作于放大区 发射结正偏 集电结反偏 即vB vE vB 1 当vI大于某一数值时 工作于饱和区 发射结和集电结均为正偏 即vB vE vB vC 且iB满足 iB IBS VCC VCE sat RC此时 vO VCE sat 0 iC VCC VCE sat RC VCC RC 晶体管C E之间相当于开关闭合 在饱和型开关电路中 稳态时 当vI VIL时 晶体三极管稳定工作于截止状态 当vI VIH时 晶体三极管稳定工作于饱和状态 S iB IBS称为饱和系数 S越大 饱和深度越深 三极管瞬态开关特性 当vI从 V跳变 V时 晶体管不能立即导通 要经历一段延迟时间td和一个上升时间tr iC才能接近于最大值ICS ton td tr称为开通时间 0 9ICS 0 1ICS 开通时间 0 9ICS 0 1ICS 关断时间 当vI从 V跳变 V时 晶体管也不能立即截止 要经历一段存储时间ts和一个下降时间tf iC才逐渐下降到0 toff ts tf称为关断时间 1 晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程 可分为发射结由反偏至正偏和集电极电流形成两个阶段 1 2 3 4 5 x 0 x w N P N QBS nb x pc x QCS pe x 图3 1 14晶体三极管基区少子浓度分布曲线 发射结变为正偏 并逐渐形成集电极电流所需的时间 即为延迟时间td 其长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件 三极管结电容越小 td越短 三极管截止时反偏越大 td越长 正向驱动电流越大 td越短 发射结正偏后 集电极电流iC不断上升 达到0 9ICS所需时间即为上升时间tr tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件 基区宽度w越小 tr也越小 基极驱动电流越大 tr也越短 2 晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程 可分为驱散基区多余存储电荷及驱散基区存储电荷两个阶段 三极管稳定工作于饱和状态时 基区形成有多余存储电荷的累积QBS 当vI负向跳变时 QBS全部消失所需时间即为存储时间ts 饱和度越深 ts越长 基极反向驱动电流越大 QBS消失越快 ts越短 集电结两边多余存储电荷QBS和QCS全部消失后 集电结转向反偏 基极反向驱动电流使基区存储电荷QB开始消失 iC逐渐减小至0 1ICS所需时间即为下降时间tf 反向驱动电流越大 tf越短 RC VBB vI vO VCC R1 T C VL R1 R2 R2 VBB B E VH R1 R2 VBB B E VBE sat iB i1 i2 a b c 图3 1 15晶体三极管反相器