惰性电路和晶体管开关

第一章惰性电路和晶体管开关,第一节RC惰性电路,第二节晶体管开关,1、晶体二极管开关特性,2、二极管限幅器及钳位器,3、晶体管开关特性,4、晶体三极管反相器,第二节晶体管开关,开关断开时：I=0,开关两端电阻为。,开关闭合时：R=0,开关两端电压为0。,开关动作瞬时完成。,以上三点不受温度等环境因素影响。,在脉冲与数字电路中，晶体管经常被当作开关（电子开关）来使用，那么晶体管工作于开关状态其开关特性是什么？,开关元件的作用是能把电路接通和断开。接通就是要元件呈现很小的电阻，最好接近于短路；断开就是要元件呈现很大的电阻，最好接近于开路。,1、晶体二极管开关特性：,理想开关条件：,硅二极管的伏安特性如图所示：,由于二极管具有单向导电性，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止。所以，二极管是受外加电压极性控制的开关。,正向特性：,硅二极管导通，伏安特性曲线非常陡峭。正向压降为0.7V的恒压源。,反向特性：,硅二极管截止，反相电流很小，一般在1以下，反相运用时，硅二极管相当于断开的开关。,晶体二极管开关特性：,1.二极管开关等效电路,锗二极管的伏安特性如图所示：,正向特性：,锗二极管导通，正向伏安特性变化缓慢。正向压降随正向电流的增加而增加。可用等效电阻RD表示。,反向特性：,锗二极管截止，反向电流较大，一般在0.010.3m。通常用恒流源表示反向反向偏置锗二极管。恒流源的大小等于锗二极管的反向电流值。,通常情况下，可以将硅、锗二极管看作是理想开关，截止认为开路，导通视为短路。,晶体二极管开关特性：,VD0,二极管正偏，管压降为0,有大电流流过。,等效开关闭合。,当外加电压VD和Vth相比，不可忽略时：,二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流变化而改变。典型值硅管0.7V，锗管0.3V,晶体二极管开关特性：,Vth,二极管理想开关：,理想模型：,恒压模型：,2.二极管反向恢复时间：,理想情况下：,当VI=VF时，二极管正偏而导通。,当VI=-VR时，二极管反偏而截至。,二极管由导通变为截止状态是不能瞬间完成。,晶体二极管开关特性：,实际情况，二极管反偏时：,当VI=VF时，二极管导通。,当VI由VF下跳到VR瞬间，,二极管仍然导通，PN结两端仍有很小管压降。只有经过一段时间tR以后，流经二极管的电流才近似等于反向电流IO。,tR：反向恢复时间。tR=ts+tf,ts：存储时间。,tf：下降时间。,反向电流,晶体二极管开关特性：,PN结正偏时，在外电压作用下，PN结两端多数载流子不断向对方扩散，P区的空穴扩散到N区，N区的电子扩散到P区。P区存有大量电子，N区存有大量空穴。,当外加电压由VF下跳到VR时：,P区积累的大量电子被反向电场拉回到N区，N区积累的大量空穴被反向电场拉回到P区。形成电子、空穴漂移电流，这两个漂移电流就构成了反向电流iR=-VR/RL。,存储时间ts:,反向电流iR使存储电荷逐渐消失,靠近空间电荷区的存储电荷消失的比较快,当空间电荷区的边界处没有存储电荷时,二极管由正偏转向反偏。存储时间结束。,下降时间tf:,二极管由正偏转向反偏以后，反向电流随漂移电流的减少而减小。一般认为反向电流近似为：0.1VR/RL时，下降时间tf结束。tR一般只有几个ns,反向恢复时间形成的原因：,P区,N区,空间电荷区,、限幅原理：,利用二极管单向导电性,完成限幅。在理想模型下,VD0二极管导通。VD0,D导通，VO=Vi。,当ViE,D导通。VO=Vi,ViV1，D2正偏导通，D1反偏截止。D1能否导通看A点电位。,ViVA：D1止、D2导。VO=VA,VAViV2：D1导、D2止。VO=V2,并联双向限幅器用同样分析方法。,3、双向限幅器:,在输入端不加信号时：,输入电压ViVA,D1才会导通。,V2和VA分别为两个二极管导通或截止的分界。,限幅电平为VA的下限器幅,限幅电平为V2的上限器幅,下面主要讨论寄生电容对二极管限幅器的影响。,寄生电容：接线电容、下一级输入电容之和。,三、二极管限幅惰性,前面对二极管限幅器的分析没有考虑二极管的开关惰性和寄生电容的影响，其结果只适应于低速工作场合。在高速工作时，二极管的开关惰性和寄生电容的影响是不能忽略的。,二极管限幅器作高速应用时：,首先选用高速开关二极管，其反向恢复时间远小于工作周期。所以其开关惰性和结电容可以忽略不计。,其次要注意输出端寄生电容对输出波形有较大的影响，限幅电阻越大，对波形影响也就越大。,串连限幅器寄生电容的影响,首先输入理想方波,当：VI=-E2,D截止,VO=0,当：VI从-E2跳变为+E1时，D导通。,+E1通过rd向CO充电。,充电时常数rdco,当：VI从+E1跳变为-E2时，D截止。,CO通过电阻R放电。,放电时常数RCO,输出电压上升时间：,输出电压下降时间：,由于Rrd，所以下降时间要比上升时间慢的多。要改善下降边，必须减小R。减小R又会带来输出幅度减小。所以串连限幅器的下降边要比上升边差很多。,VO,VI,R,并连限幅器寄生电容的影响,当：VI=-E2,D导通，,VO=0,当：VI从-E2跳变为+E1时，D截止。,+E1通过R向CO充电。,输出电压上升时间：,当：VI从+E1跳变为-E2时，,二极管能不能导通？,由于电容上电压不能突变，D仍然截止。VO以时常数RCO从+E1趋向于-E2放电。,放电三要素：,输出电压：,CO,VO,当：输出电压VO下降到低于零时，二级管立即导通，且将输出电压限制在0V。,所以令VO=0,代入公式，求出下降时间tf:,如果E1=E2: