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1、第十一章 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。,11.1脉冲基础知识,一、脉冲的概念和波形,1、脉冲技术的应用：已经广泛地应用在电子计算机、自动控制、遥控遥测、电视、雷达和广播通信等许多领域。,脉冲技术是电子技术的重要组成部分，应用广泛。,2、脉冲信号：,指瞬间突然变化、作用时间极端的电压或电流。,（简称：脉冲）,3、常见脉冲波形,二、矩形脉冲波
2、：,脉冲技术中最常使用的就是矩形脉冲波，简称矩形波。,1、理想矩形波：,特点：,1、上升沿、下降沿陡直,2、顶部平坦,2、实际的矩形波：,特点：,1、上升沿和下降沿不可能绝对陡直,原因：跳变总需要一定时间,2、顶部不可能绝对平坦,原因：顶部的延续时间后期幅度总会有所降落。,3、矩形脉冲电压波形参数：,(1)幅度Vm：脉冲电压变化的最大值。,(2)上升时间t r：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t f：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t p：定义为前沿和后沿幅度为50%处的宽度。,(5)脉冲周期T：对周期性脉冲，相邻两脉冲波
3、对应点 间相隔的时间。,周期的倒数为脉冲的频率f,4、矩形波的分解：,（1）波形的合成：,（2）矩形波的分解：,（反向思考！）,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：,谐波分量越多，越近于矩形,上升沿下降沿陡直矩形波，高次谐波频率高且谐波成分多。,几个概念：基波、谐波、多谐波、谐波分量,三、RC微分电路和积分电路：,（一）RC电路：,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。,3.结论：(1)充放电时电容两端电压、电流呈指数规律变化
4、。(2)充放电的速度与时间常数 有关，=R C，单位为s。越大，充放电越慢；越小，充放电越快。,4、电容的冲放电：（实验证明）,（1）当t=0.7 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；,（2）当t=(3 5)时，充放电过程基本结束,5、RC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：,2电路特点：,(1)输出信号取自RC电路中的电阻R两端。即v O=v R,(2)时间常数 tp，通常取 1/5*tp(满足条件),3、电路功能：,矩形波变换成尖峰波,检出电路的变化量,4、工作原理：,（1）t=t1瞬间：VI突跳到Vm,Vo
5、=VI-Vc,因Vc=0，所以 Vo=Vm,Vo突跳到Vm,（2）t1-t2时刻：VI平顶阶段，电容C充电，Vc随指数规律增大，很快到Vm；Vo=VI-Vc,所以Vo随指数规律减小,很快到0。,Vo形成一个正的尖峰波,（3）t=t2瞬间：VI突跳到0,输入端相当于短路，Vc不能突变，仍是Vm;Vo=VI-Vc=0-Vc=-Vm.,Vo突跳到-Vm,电容C放电，Vc随指数规律减小，Vo形成一个负的尖峰波。,特点：输出脉冲反映了输入脉冲的变化部分。“突出变化量，压低恒压量”,（三）RC积分电路：,1、电路：,2、电路特点：,(1)VO取自RC电路的电容C两端。即Vo=vC；(2)tp，通常 3tp
6、；（满足条件）,4、工作原理：,（1）t1t2时刻：VI=Vm,C充电，Vo=Vc以指数规律缓慢(tp)上升；,（2）t 2=t3时刻：VI=0,C放电，Vo=Vc以指数规律下降；,3、功能：将矩形波转换成锯齿波(三角波),特点：“突出恒压量，压低变化量”,与微分电路相反,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。,例1 RC电路中，R=20 k，C=200 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=RC=20 103 200 1012s=4 106 s=4 s,(
7、2)求方波的脉冲宽度,(3)结论：因 1/5*tp，所以是微分电路。,例2 RC电路中，若C=0.1 F，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=RC 3tp,R 15 k；所以R值至少为15 k。,四、RC脉冲分压器：,1、在低频放大器中，信号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Co)，传输脉冲信号就会产生失真。,2、脉冲分压器：,（2）特点：R1两端并联一补偿电容C1。C1最佳值为：,（1）电路：,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,11.2
8、 晶体管开关特性,在脉冲电路中，经常把二极管和三极管作为“开关”使用。,开关作用：当二极管正向导通或三极管饱和导通时，相当于一个“开关”处于接通状态；反之，当二极管和三极管截止时，相当于“开关”处于断开状态。,开关作用的应用：控制脉冲电路中脉冲信号的产生、变换和传递。,指二极管和三极管在截止状态和导通状态时的静态特性以及他们在截止和导通两种状态相互转换时所需开关时间的动态特性。,开关特性：,一、二极管的开关特性,1、二极管的开关作用：,正向偏置时，相当于开关闭合,反向偏置时，相当于开关断开,2、二极管的开关时间：,（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
9、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 ns,（2）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。,二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定,二、三极管的开关特性：,1、三极管开关作用：,（1）“开关”断开状态：,输入电压为：VI=-VG1,发射结反偏VBE0,集电结反偏VBC0,三极管中只有很小的反向电流IEBO和ICBO IB0,Ic0,VCEVG,VCEVG,工作于A点,三极管工作在截止状态，C、E
10、极近似于开路，相当于开关“断开”。,等效电路：,（2）“开关”闭合状态：,输入电压VI=VG2,调节Rb,三极管工作在C点,此时：Ic接近最大值称为：集电极饱和电流I cs,基极临界饱和电流IBS,集电极饱和电压VCES,因VCES值很小，约0.3V，c、e间近似短路，相当于开关闭合。,电流关系为：,三极管工作在饱和状态，C、E极近似于短路，相当于开关“闭合”。,等效电路：,三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关,（3）三极管三种工作状态：,放大判断条件,截止判断条件,饱和判断条件,2、三极管的开关时间：,（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,（2）三极管开关电路波
11、形：UI与IC,上升沿、平顶部分、下降沿都延时了,（3）开关时间：,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。,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。,实验证明：ton与toff都是纳秒数量级的,例：3DK2C三极管:ton=15ns,toff=30ns;3DK4C三极管：ton50ns,toff100ns;,那么如何减少三极管开关的时间呢？,办法：接加速电容,三、加速电容的作用,1电路：,加速电容,2原理：,(1)VI正跳变瞬间：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
12、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 下跳到0v瞬间：VI 与发射极E相连，VCS反向加至发射结，由于CS的放电作用，形成很大的反向基极电流，使V迅速截止。,下跳到0v，输入端相当于短路。,CS的存在，加快了晶体管的开关速度！,11.3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、元器件作用：,3、工作原理：,（1）当输入端为低电平（VI=0）时，三极管截止，VoVG=12V.,（2）当输入端为高电平（VI=3v）时，三极管饱和，Vo=VCES 0V,反相器,反相器,
