脉冲基础知识和反相器

1、第10章 脉冲基础知识和反相器教学重点1了解脉冲的基本概念与主要参数。2理解微分电路、积分电路、脉冲分压器的基本原理，掌握微、积分电路工作条件和作用。3了解二极管、三极管的开关特性及其应用。4理解反相器的工作原理。教学难点1RC电路的过渡过程。2三极管开关作用。3MOS管反相器的工作原理。学时分配序号内 容学 时110.1 脉冲基础知识3210.2 晶体管开关特性1310.3 反相器1.54本章小结与习题0.55本章总学时610.1 脉冲基础知识图10.1.1 常见脉冲波形 脉冲的概念及其波形1脉冲的概念脉冲技术是电子技术的重要组成部分，应用广泛。动画脉冲的概念脉冲：含有瞬间突然变化、作用时间

2、极短的电压或电流称为脉冲信号，简称为脉冲。2常见的几种脉冲波形如图所示。10.1.2 矩形脉冲波1矩形脉冲波的主要参数脉冲技术最常用的波形是矩形波、方波。理想的矩形波如图所示：上升沿、下降沿陡直；顶部平坦。图 三个不同频率的正弦波合成图10.1.2 理想的矩形波波形 图10.1.3 实际的矩形波波形实际的矩形波波形如图所示。主要参数：(1) 幅度Vm脉冲电压变化的最大值。(2) 上升时间tr 脉冲从幅度的10% 处上升到幅度的90%处所需时间。(3) 下降时间tf脉冲从幅度的90% 处下降到幅度的10%处所需的时间。(4) 脉冲宽度tp 定义为前沿和后沿幅度为50%处的宽度。(5) 脉冲周期T

3、 对周期性脉冲，相邻两脉冲波对应点间相隔的时间。周期的倒数为脉冲的频率f，即2矩形波的分解如图所示。矩形波可由基波和多次谐波叠加而成。基波的频率与矩形波相同，谐波的频率为基波的整数倍。矩形波的数学表达式为 RC微分电路和积分电路一、RC电路的过渡过程1RC电路：电阻R和电容器C构成的简单电路。是脉冲电路的基础。2特点：由于C两端电压不能突变，所以在充、放电时必须经历一个过渡过程。3RC电路的充放电过程动画 RC充放电4结论(1) 充放电时电容两端电压、电流呈指数规律变化。(2) 充放电的速度与时间常数 t 有关，t = R ´ C，单位为s。t 越大，充放电越慢；t 越小，充放电越快

4、。实验证明：当t = 0.7t 时，充电电压为VG的一半；放电电压为电容器两端电压VC的一半；当t = (3 5)t 时，充放电过程基本结束(如图所示)。(a)充电电压波形式 (b)放电电压波形图10.1.5 电容器充放电波形5RC电路的主要应用：波形变换。常用电路有微分电路、积分电路。二、RC微分电路1电路组成如图所示。2电路特点图10.1.6 RC微分电路(1) 输出信号取自RC电路中的电阻R两端。即vO= vR；(2) 时间常数t << tp，通常取t tp；3工作原理 动画RC微分电路4电路功能将矩形波变换成尖峰波，检出电路的变化量。如图所示。 图10.1.7 微分电路波形

5、图 图10.1.8 RC积分电路三、RC积分电路1电路组成如图10.1.8所示2电路特点(1) vO取自RC电路的电容C两端。即vO = vC；(2) t >> tp，通常t 3tp；3工作原理t t1,vI = Vm ,C充电，vO = vC以指数规律缓慢(t >> tp)上升；t t2,vI = 0,C放电，vO = vC以指数规律下降；4功能：将矩形波转换成锯齿波(三角波)。5应用(1) 应用“积分延时”现象，把跳变电压“延缓”；(2) 从宽窄不同的脉冲串中，把宽脉冲选出来。图10.1.11 寄生电容Co使输出脉冲失真例RC电路中，R = 20 kW，C = 20

6、0 pF，若输入f = 10 kHz的连续方波，问此RC电路是微分电路，还是一般阻容耦合电路？解(1)求电路时间常数t = RC = 20 ´ 103 ´ 200 ´ 10-12s = 4 ´ 10-6 s= 4 µs(2) 求方波的脉冲宽度图10.1.12 脉冲分压器(3) 结论：因，所以是微分电路。例 RC电路中，若C = 0.1 mF，输入脉冲宽度tp = 0.5 ms，要构成积分电路，电阻R至少应为多少？解 构成积分电路必须t = RC 3tp则 即 R 15 kW所以R值至少为15 kW。RC脉冲分压器1问题的提出在低频放大器中，信号

7、的衰减常用电阻分压器来实现；在脉冲电路中，若采用电阻分压器，由于存在分布电容和负载电容(统称寄生电容C0)，传输脉冲信号就会产生失真。如图所示。2解决办法采用脉冲分压器(1) 电路如图10.1.12所示。(2) 特点：R1两端并联一补偿电容C1。C1最佳值为(3) 结论C1要适当：过小，欠补偿；过大，过补偿。补偿电容对输出波形的影响如图所示。图10.1.13 补偿电容对输出脉冲波形的影响10.2 晶体管开关特性在脉冲电路中，二极管和三极管通常作为“开关”使用。10.2.1 二极管的开关特性一、二极管的开关作用二极管的开关作用如图所示。（a）正偏时相当于开关闭合(b)反偏时相当于开关断开图10.

8、2.1 二极管的开关特性1正向偏置时，相当于开关闭合。2反向偏置时，I = 0，VR = 0，相当于开关断开。图10.2.2 二极管的开关时间二、二极管的开关时间二极管的开关时间如图所示。1反向恢复时间tre 二极管反偏时，从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止状态所需的时间。例如2CK系列硅二极管 tre = 5 ns 2AK系列锗二极管 tre = 150 ns2正向开通时间ton 二极管正偏时，从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通状态所需的时间。实验证明二极管正向开通时间远小于反向恢复时间，通常因为它对二极管开关速度的影响很小，可以忽略不计。所以，二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定。1

9、0.2.2 三极管的开关特性一、三极管开关作用动画 三极管开关作用结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。截止时，相当于开关“断开”；等效电路：如图（a）所示。饱和时，相当于开关“闭合”。等效电路：如图（b）所示。图10.2.3 三极管的开关作用图10.2.3 三极管的开关作用二饱和状态的估算1电路如图(a)所示。2定义IBS 基极临界饱和电流；ICS 集电极饱和电流，ICS = b IBS；VCES 集射极饱和管压降。则 图10.2.4 三极管的开关工作状态3判断三极管状态的条件若IB > IBS ，饱和；若0 < IB IBS ，放大；若IB 0，截止。三、三极管三种

10、工作状态()三极管截止、放大、饱和工作状态特点工作状态截 止放 大饱 和条 件iB » 0工 作 特 点偏置情况发射结和集电结均为反偏发射结正偏集电结反偏发射结和集电结均正偏集电极电流iC » 0iC »biB且不随iB增加而增加管压降VCEO »VGVCE = VG - iCRcVCES »0.3 V(硅管)VCES »0.1 V(锗管)c、e间等效电阻很大，约为数百千欧，相当于开关断开可变很小，约为数百欧姆，相当于开关闭合图10.2.5 三极管开关电路的波形四、三极管开关时间1开关时间：三极管在截止状态和饱和状态之间转换所需的时间

11、(如图10.2.5所示)。包括：(1) 开通时间ton 从三极管输入开通信号瞬间开始至iC上升到0.9ICS所需的时间。(2) 关闭时间toff 从三极管输入关闭信号瞬间开始至iC降低到0.1ICS所需的时间。2减少三极管开关时间的办法：接加速电容。 加速电容的作用1电路图 10.2.6 加速电容的作用如图10.2.6所示，CS加速电容。2原理(1)vI 时，CS视作短路，可提供一个很大的正向基极电流iB，使V迅速进入饱和状态。随着CS的充电，iB逐渐减小并趋于稳定(由vI、-VGB、及R1、R2决定)，此时CS相当于开路。(2) vI 时，vI与发射极E相连， vCS反向加至发射结，由于CS

12、的放电作用，形成很大的反向基极电流，使V迅速截止。可见，由于CS的存在，加快了晶体管的开关速度。10.3 反相器 晶体管反相器图10.3.1 晶体管反相器1电路 ()-VGB基极电源(可省)；V开关三极管；Rk，Rb基极偏置电阻；Rc 集电极负载电阻；+VG集电极电源2工作原理动画 晶体管反相器3功能vI反相器vO低电平高电平高电平低电平图10.3.2 MOS反相器 MOS反相器一、简单的MOS反相器1电路如图所示。V为N沟道增强型场效应管，VT = 4 V。2工作原理vI = 0时，vGS < vT，V截止，vO = vDD= 20 V，为高电平；vI = 20 V时，vGS >

13、 vT，V导通，vO = vDD - iDRD = 0.2 V，为低电平。3功能：反相器vIvO低高高低4缺点图10.3.3 用场效应管作负载的反相器为满足vO为低电平，当VDD、ID一定时，由VO = VD，IDRD，RD大些好；但当VO恢复为高电平时，由于寄生电容CL的存在，充电时间常数 t = RDCL就很大，波形失真且影响工作速度。解决办法采用MOS管作负载。二、用MOS管作负载的MOS反相器1电路V1驱动管，作开关用，跨导较大；V2负载管，作负载用，始终工作在饱和区，跨导较小。2工作原理VI = VGS >VT1时，V1导通，VO为低电平；图10.3.4 CMOS反相器VI =

14、 VGS <VT1时，V1截止，VO为高电平；这时V2饱和导通，等效电阻RDS小，t = RDSCL小，提高了工作速度。3缺点：V2始终导通，功耗大，不利于集成，解决办法 CMOS反相器。三、CMOS反相器1电路如图所示。用N沟道和P沟道MOS管联合组成反相器。2特点(1) V1 N沟道MOS管，作驱动管。V2 P沟道MOS管，作负载管。(2) 栅极相连接输入，漏极相连接输出。(3) 3工作原理(1)vI = 0 (低电平) ,vGS1 < vTN，V1截止；但 |vGS2| > |vTP| ，V2导通，vO为高电平。(2)vI = 1 (高电平) ,vGS1 > vT

15、N，V1导通；但 |vGS2| < |vTP|，V2截止，vO为低电平。4功能：反相器vIvO01105优点(1) 无论输出高、低电平，均有一管导通，充放电时间常数 t 小，工作速度快；(2) V1、V2必有一个截止，功耗低。本章小结本章开始讨论脉冲数字电路，脉冲数字电路与模拟电路的主要区别参见下表：模拟电路与数字电路的对比表内 容处理对象典型信号任 务分析方法器件工作的区域基本电路模拟电路模拟信号正弦波不失真地放大图解法、微变等效电路放大区电压放大功率放大数字电路数字信号矩形波逻辑实现功能逻辑代数截止区饱和区组合电路时序电路一、基本概念1脉冲信号：瞬间变化的作用时间极短的电压或电流信号

16、。最常用的脉冲波形为矩形波2脉冲的主要参数： 脉冲幅度； 上升时间； 下降时间； 脉冲宽度； 脉冲周期和频率。二、RC电路1为脉冲电路的基础，利用其过渡过程可实现脉冲波形变换；最常用的RC电路为微分和积分电路。2微分电路与积分电路的比较RC电路电路特点条件输出功能RC微分电路vO从R输出t << tp(t 0.2 tp)尖脉冲突出变化量，压低恒定量RC积分电路vO从C输出t >> tp(t3tp)三角波突出恒定量，压低变化量3脉冲分压器电路需加补偿电容，以补偿电路寄生电容引起的失真，其最佳值三、晶体管开关特性1在脉冲数字电路中，晶体二、三极管作开关使用。2二极管开关速度主要取决于反向恢复时间。3三极管作开关使用存在着开通时间和关闭时间，为提高开关速度，可接加速电容。四、反相器1地位：为脉冲数字电路的基本部件。2功能：vI为低，vO为高；vI为高，vO为低；其真值表：vIvO01103种类(1) 晶体管反相器判断三极管工作状态的条件NPN管截 止放 大饱 和电流条件IB 00 < IB IBSIB > IBS= ICS /b偏置条件VBE <0 VBC <0VBE