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1、晶体管的开关特性,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,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
2、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
3、想开关，截止认为开路，导通视为短路。,晶体二极管开关特性：,VD0,二极管反偏，二极管电阻，电流为0。,等效开关断开。,当外加电压 VD V t h 时:,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 V t h 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。,
4、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t R以后，流经二极管的电流才近似等于反向电流 IO。,t R：反向恢复时间。t R=t s+t f,t s：存储时间。,t f：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
5、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 i R=-VR/RL。,存储时间 ts:,反向电流 i R 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：0.1 VR/RL时，下降时间 t f 结束。t R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,VD 0 二极管导通。VD0 二极管截至。,、限幅用途：,整形,
6、波形变换,波形选择,、限幅电路的三种形式：,串连限幅,并联限幅,双向限幅,二、二极管限幅电路,二极管和输出端串联。,限幅条件：R rd,当 Vi 0,D 导通，VO=Vi。,当 Vi 0,D 截至，VO=0。,二极管负极输出是下限幅，即限幅电平为0的下限幅器。,二极管正极输出是上限幅，即限幅电平为0的上限幅器。,1、串联限幅,Vi E,D 导通。VO=Vi,Vi E，D 截止。VO=E,提高限幅电平的限幅器：,特点：二极管和输出端并联,2、并联限幅,并联上限幅,并联下限幅,串联双向限幅器,限幅条件：V2V1，D2 正偏导通，D1反偏截止。D1能否导通看 A 点电位。,Vi VA：D1 止、D2
7、 导。VO=VA,VA Vi V2:D1、D2 均导。VO=Vi,Vi V2：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
8、：,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rd co,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
9、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:,并联限幅器下降沿比上升沿要陡峭。,串连限幅具有陡峭的上升沿。,并连限幅具有陡峭的下降沿。,串连限幅具有陡峭
10、的下降沿。,并连限幅具有陡峭的上升沿。,在工程设计中根据实际需要进行选择。,比较两种限幅器的优缺点：,对于下限幅器：,对于上限幅器：,二极管开关的通断是受两端电压极性控制。,三极管开关的通断是受基极 b 控制。,1、三极管的三种工作区域,三、晶体三极管开关特性,饱和区,放大区,截止区,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集 电结反偏，电压大于 0
11、.7 V左右(硅管)。,1、三极管的三种工作区域,饱和区,放大区,截止区,三极管工作在放大区。,三极管放大条件：,放大特点：,基极电流IB对集电极电流IC有很强的控制作用,IC=IB。从特性曲线上可以看出，在相同的VCE条件下，IB有很小的变化量IB，IC就有很大的变化量IC。,2、三极管的三种工作状态,、放大状态,三极管有放大能力，i c i b,三极管工作在饱和区。,饱和区VCE比较小，也就是IC受VCE显著控制区。即将输出曲线直线上升和弯曲部分划为饱和区。,三极管饱和条件：,基极电位高于发射级、集电极电位。,2、三极管的三种工作状态,、饱和状态,i b IBS,三极管饱和特点：,当VCE
12、减少到一定程度后，集电结收集载流子的能力减弱，造成发射结“发射有余，集电结收集不足”，集电极电流IC不再服从IC=IB的规律。,三极管饱和时的等效电路：,2、三极管的三种工作状态,硅管 0.7V,锗管 0.3V,硅管 0.3V,锗管 0.1V,不考虑管压降时的等效电路,等效于开关闭合,三极管工作在截止区，IB=0曲线以下。,发射结、集电结均反偏。,VBE0,VBC0,三极管相当于开路,三极管截止等效电路：,所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。,三极管截止条件：,2、三极管的三种工作状态,、截止状态,等效于开关断开,三极管PN结四种偏置方式组合,根据VCC和RC值，在输出特性曲线上画一条负载
13、线。,当Vi 0 时：,三极管截止，工作在特性曲线A点。,当 i b60A时,i C=i b=50X60=3mA,T 临界饱和,当i b60A时,i C 几乎不变。三极管进入饱和区。,临界饱和时基极电流：,饱和时集电极电流：,例：共发射极电路,首先求出基极电流,然后求出临界饱和时基极电流：,三极管工作在饱和状态，大的越多，饱和的越深。,三极管工作在放大状态,三极管工作在截止状态,如何判断三极管工作状态,理想情况下：（饱和、截止动作瞬时完成）,三极管开关和二极管开关一样，都存在开关惰性。三极管在作开关运用时，三极管饱和及截止两种状态不是瞬时完成。因为三极管内部存在着电荷建立和消散过程。,Vi=V
14、b2时：T 饱和,Vi=Vb1时：T 截止,2、三极管开关惰性,Vi=-Vb1 时：T 截止 i b 0 i c 0,实际情况下：,输入由Vb2上跳到Vb1,T由止放大饱和。,输入由Vb2下跳到-Vb1,由饱和放大止。,需要经历四个时间：,延迟时间:i c 由0上升到0.1 i c max,上升时间:i c 由0.1 i c max上升到0.9 i c max,存储时间:i c 由 I c max下降到0.9 i c max,下降时间:i c 由0.9 i c max下降到0.1 i c max,T由截止导通需要的时间：tON=td+tr,T由导通截止需要的时间：tOff=ts+tf,三极管开
15、关惰性,用基区电荷分布图说明,当输入,发射结由：反偏正偏所需时间 td,正向偏压,基极驱动电流,发射区扩散到基区电子数,集电极收集的电子数,由小到大变化,当基区的电子浓度增加到 4 时：,发射结正偏后：,集电极电流达到临界饱和：ICS,基区中电子积累所需时间：t r,三极管由截止进入饱和过程：,电子浓度,开关惰性形成的原因：,临饱,放大,正偏,IBIBS 时，发射结发射有余，集电极收集不足。过剩电子在基区积累，如 45。这段时间就是存储时间 t s,当i b继续增加：,电子浓度,分析输入信号由：,希望基极驱动电流i b 1很大，加速三极管由截止向饱和转变，缩短上升时间t r，减少延迟时间，提高
16、工作速度。,虽然i b1增加带来td、t r 减小。同时也会使 t s 增加。要求驱动电流不是常数，而是前大后小，前大加速建立，后小不过分饱和。,开关惰性形成的原因：,正偏,放大,临饱,深饱,电子浓度,当输入,三极管由饱和进入截止过程：,由于基区电子不能立即消失，T 仍然饱和，其转变过程是：随正偏压的减小，基区存储的电子逐渐减小。54区间中电子积累从深饱和浅饱和临界饱和放大截止。,分析输入信号由：,希望基极驱散电流i b 2很大,加速三极管由饱和向截止状态转变。,同样i b2增加带来t f 减小。同时也会使 t d 增加。即：三极管截止时，反偏电压越大，转向正偏时间越长。因此，要求驱动电流也不
17、是常数，而是前大后小，前大快速驱散，后小不过分截止。,开关惰性形成的原因：,深饱,临饱,放大,正偏,结论：,把三极管由截止饱和的基极电流i b1叫做正向驱动电流。,把三极管由饱和截止的基极电流i b2叫做反向驱散电流。,这样一个前大后小的基极驱动电流很难选取。但可以利用电容C上的电压不能突变的特性，近似实现。这个电容叫做加速电容。,开关惰性形成的原因：,R1、R2、外加负偏压VBB及Vi 共同决定三极管工作状态，保证三极管在开关方波的作用下可靠工作于饱和、截止两种状态。,那么如何保证三极管可靠工作？就依靠合理选择基极偏置电阻来保证。（设计问题）,当Vi=0 时：,希望T截止先假设T止再看是否止
18、,画截止等效电路,-1V,三极管截止条件：V be0,令：V be1V T 可靠截止,当V i=E 时：,希望T饱和，先假设T饱和再判是否饱和,画饱和等效电路,三极管截止条件：i b IBS,四、晶体三极管反相器,1、反相器工作原理及设计方法：,即：,三极管一定饱和。,元件选择：,T:先选择开关管，再根据手册给出ICM确定RC。,VCC、VBB 根据工作条件确定。,C1根据开关管截至频率确定。,反相器的优点：,输出振幅比较大，饱和时 VO 0。截止时，VO VCC。,三极管饱和时，V c e s=0.3V 所以功耗小。,对的一致性要求底，只要满足,晶体三极管反相器,反相器的基本功能是将输入信号
19、反相输出，输出信号应保持与输入信号形状一致，但由于三极管本身存在：开关时间、分布电容及寄生电容的影响，使输出波形产生一定畸变，只能采取措施，使这种畸变尽可能减小至容许范围之内。,常用方法：,采用加速电容，增加钳位二极管。,VCL:钳位电压，VCL VCC,DCL：钳位二极管。,CO:输出端分布电容及负载电容之和。,当：Vi=VIL,T 止，DCL导，VO=VCL,VCC以RCCO向CO充电,负载变化，稳定输出。,当：Vi=VIH,T饱和，CO 放电,=r CES CO,由于RC r CES CO 快速放电。,DCL对下降沿影响小。,当：Vi 从,T由饱和变为截至，由于电容上的电压不能突变，又以
20、大时常数RCO充电，充电速度比较慢。当充至VOVCL,DCL导通。VO被钳位于VCL,2、提高反相器开关速度的方法：,VCL,VCC,R1,R2,-VBB,RC,反相器负载有两种情况：,流进反相器的电流叫灌流负载。记做 i OI,流出反相器的电流叫拉流负载。记做 i op,如何衡量反相器带负载能力？,反相器在正常工作条件下：,饱和状态：VO=0.3V,反相器所允许最大灌电流IOCM是多少？,截止状态：VO=V CL，反相器所允许最大拉电流IOPM是多少？,3、反相器带负载的能力,三极管饱和时：,VO=V c e s=0.3V,D CL 止，i DCL=0,流入集电极电流：,IBS,i C=i
21、RC+i OI,由饱和条件 i B IBS 知：,IBS：增加使三极管饱和深度减少，有可能引起三极管退出饱和。,所以：灌电流的增加，不应破坏三极管的饱和条件。即：,i C IC/,i RC+i OI i B,i C=i B,分饱和、截止两种状态讨论。,(1)、反相器带灌流负载的能力,、三极管饱和时带灌流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三极管截至时：,i C=0 DCL 导通 VO=VCL,流入钳位二极管电流：i DCL=i RC+i OI,灌电流的增加不可能烧坏钳位二极管。,三极管饱和时所允许的最大灌电流：,=ICM VCC/RC,I0IM
22、i B i RC,、三极管截至时带灌流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三极管饱和时：,DCL 止,i DCL=0,拉电流：i OP=i RC i C,由饱和条件 i B IBS 知：,i op的增加引起i C 的减少，i C 的减少又引起 i B 的减少。三极管的饱和深度加深。所以拉电流的增加，不破坏三极管的饱和状态 i op的增加，最大将 i C 拉到0。,所以：最大拉电流：IOPM i RC-0=VCC/RC,仍然分饱和、截止两种状态讨论。,(2)、反相器带拉流负载的能力。,、三极管饱和时带拉流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo
23、,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三极管截至时：,DCL 导通,i C=0,VO=VCL,i RC=i DCL+i OP,拉电流i OP增加到一定程度使i DCL 减小到 0,D 失去钳位作用。,因此三极管截至时，最大拉电流以钳位二极管不失去钳位作用为原则。,IOPM i RCVCC-VCL/RC,即：i DCL 不能为0,、三极管截至时带拉流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,1、当30,T能否可靠饱和或截止？,2、在输入为高电平时，保证T可靠饱 和，值最小等于多少？,3、在输入为低电平时，保证可 T 靠截止，VBB值最小等于多少？,题意
24、分析：,先判导和止，再判饱和否。,截至条件：发射结、集电结均反偏。VBE0,饱和条件：发射结、集电结均正偏。VBE 0,练习题：,解（1）：,先假定T截止，,画出T截止等效电路：,满足截止条件T截止,目的是判断T能否截止：,练习题：,T导通，判别：,假定T饱和，画出饱和等效电路,练习题：,2、在输入为高电平时，保证T可靠饱 和，值最小等于多少？,假设：VI=5.5V时，T处于临界饱和状态，IB=IBS,求出临界饱和时值。,求出17,所以保证三极管可靠饱和的最小值应大于17。,值越大，越有利于饱和。,练习题：,3、在输入为低电平时，保证可 T 靠截止，VBB值最小等于多少？,假设：VI=0.3V时，T处于临界截止状态，VBE=0。,练习题：,
