晶體三極管的開關特性ppt課件

1、晶體三極管的開關特性 晶體三極管由集電結和發(fā)射結兩個PN結構成.根據(jù)兩個PN結的偏置極性,三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)。下圖給出了用NPN型共發(fā)射極晶體管組成的簡單電路及其輸出特性曲線。三極管靜態(tài)特性 當輸入電壓Ui=-VB時三極管的發(fā)射結和集電結均為反向偏置(VBE 0 ,VBC0),只有很小的反向漏電流IEBO和ICBO分別流過兩個結,故ib和iC接近零，VCE =VCC對應于A點。這時集電極回路中的c 、e極之間近似于開路，相當于開關斷路。三極管的這種工作狀態(tài)稱為截止。 當輸入電壓Ui=+VB2時,調(diào)節(jié)Rb ,使iB =VCC / RC ,則三極管工作在C點,集電極電流iC已接近

2、于最大值VCC / RC ，由于iC受到RC的限制，它已不可能象放大區(qū)那樣隨著iB的增加而成比例地增加了，即認為集電極電流已達到飽和，對應的基極電流稱為基極臨界飽和電流IBS ( VCC/RC)，而集電極電流稱為集電極飽和電流ICS(VCC/RC)。以后，如果再增加基極電流，則飽和程度加深，但集電極電流基本上保持在ICS不再增加，集電極電壓VCE =VCCICS RC=VCES 0.20.3V這個電壓稱為飽和壓降。它也基本上不隨iB增加而改變。由于VCES很小，集電極回路中的c 、 e極之間近似于短路，相當于開關閉合一樣。三極管的這種工作狀態(tài)稱為飽和。三極管截止狀態(tài)等效電路 晶體三極管在飽和與

3、截止兩種狀態(tài)的特性稱為開關特性，相當于一個由基極信號控制的無觸點開關，其等效電路如下(1)截止狀態(tài)的三極管等效電路。ib Rb 0CUCE VCCEiB 0 Rb B RCVcc三極管飽和狀態(tài)等效電路 晶體三極管在飽和與截止兩種狀態(tài)的特性稱為開關特性，其等效電路如下(2)飽和狀態(tài)的三極管等效電路。 (+) 0.3VE (-) (+)0.7V(-) Rb B RCCRb (+)0.7V(-)(+)0.3V(-)Ucc三極管動態(tài)特性 晶體三極管在飽和與截止兩種狀態(tài)轉換過程中具有的特性稱為三極管的動態(tài)特性。三極管和二極管一樣，管子內(nèi)部也存在著電荷的建立與消失過程。因此，飽和與截止兩種狀態(tài)也需要一定的

4、時間才能完成。 如在左上圖所示的電路輸入端加入一個理想的方波,其幅度在-VB1和+ VB2之間變化,則輸出電流ic的波形已不是和輸入波形一樣的理想方波見左下圖。三極管動態(tài)特性從左圖可知波形起始部分和平頂部分都延遲了一段時間,上升和下降沿都變得緩慢了。為了對三極管的瞬態(tài)過程進行定量描述，通常引入以下幾個參數(shù)來表征：延遲時間td從+ VB2加入到集電極電流ic上升到0.1ICS所需時間；上升時間tr ic從0.1ICS上升到0.9ICS所需時間;存儲時間ts 從輸入信號降到-VB2到ic降到0.9ICS所需時間;下降時間tf 從ic從0.9ICS 下降到0.1ICS所需時間。三極管動態(tài)特性 延遲時

5、間td：當三極管處于截止狀態(tài)時，發(fā)射極反偏，空間電荷區(qū)比較寬。當輸入信號ui由-U1跳變到+U2時，由于發(fā)射結空間電荷區(qū)仍保持在截止時的寬度，故發(fā)射區(qū)的電子還不能立即穿過發(fā)射結到達基區(qū)。這時發(fā)射區(qū)的電子進入空間電荷區(qū)，使空間電荷區(qū)變窄，然后發(fā)射區(qū)開始向基區(qū)發(fā)射電子，晶體管開始導通。 上升時間tr：發(fā)射區(qū)不斷向基區(qū)注入電子，電子在基區(qū)積累，并向集電區(qū)擴散，形成集電極電流ic。隨著基區(qū)電子濃度的增加，ic不斷增大。三極管動態(tài)特性 存儲時間ts：經(jīng)過上升時間后，集電極電流繼續(xù)增加到Ics，這時由于進入了飽和狀態(tài)，集電極收集電子的能力減弱，過剩的電子在基區(qū)不斷積累起來，稱為超量存儲電荷，同時集電區(qū)靠近

6、邊界處也積累起一定的空穴，集電結處于正向偏置。 當輸入電壓ui由+U2跳變到-U1時，上述存儲電荷不能立即消失，而是在反向電壓作用下產(chǎn)生漂移運動而形成反向基極電流，促使超量存儲電荷泄放。在存儲電荷完全消失前，集電極電流維持Ics不變，直至存儲電荷全部消散，晶體管才開始退出飽和狀態(tài)，ic開始下降。 下降時間tf：在基區(qū)存儲的多余電荷全部消失后，基區(qū)中的電子在反向電壓的作用下越來越少，集電極電流ic也不斷減少，并逐漸接近于0。三極管動態(tài)特性 上述四個參數(shù)稱為三極管的開關時間參數(shù)，我們從圖上看到，它們都以集電極電流ic變化為基準的。 通常把ton = td+tr稱為開通時間，它反映了三極管從截止到飽

7、和所需的時間。 而把toff = ts+ tf稱為關閉時間，它反映了三極管從飽和到截止所需的時間。 開通時間和關閉時間總稱為開關時間，它隨管子類型不同而有很大差別，一般在幾十至幾百納秒的范圍，可以從器件手冊中查到。MOS管的開關特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態(tài)。由于種狀態(tài)。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓柵源電壓UGS決定其工作狀態(tài)。圖為由決定其工作狀態(tài)。圖為由NMOS增強增強型管構成的開關電路。型管構成的開關電路。當UGS小于NMOS管的啟動電壓UT時，MOS管工作在截止

8、區(qū)， iDS基本為0，輸出電壓UDS UDD，MOS管處于“斷開形狀，其等效電路為如右。MOS管的開關特性 當UGS大于NMOS管的啟動電壓UT時，MOS管工作在導通區(qū)，此時漏源電流iDS =UDD /(RD+rDS)。其中rDS為MOS管處于導通時的漏源電阻。輸出電壓UDS = UDDrDS/(RD+rDS)，如果rDSRD，則UDS0V，MOS管處于“接通形狀，其等效電路為如下。動態(tài)特性MOS管在導通與截止狀態(tài)發(fā)生轉換時同樣存在過渡過程但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間，而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。下面給出了MOS管組成的電路及其動態(tài)特性示

9、意圖。MOS管動態(tài)特性 當輸入電壓ui由高變低， MOS管由導通狀態(tài)轉換為截止狀態(tài)時，電源UDD通過RDD向雜散電容CL充電，充電時間常數(shù)1 = RDD CL 。所以，輸出電壓uo要通過一定延時才能由低電平變?yōu)楦唠娖?；ui id Uo 放電 充電 CLui0iD0Uo0截止 導通 截止MOS管動態(tài)特性 當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數(shù)2 rDS CL由此可見，輸出電壓uo也要經(jīng)過一定延時才能轉變成低電平。但因rDS比RD小的多，所以，由截止到導通的轉變時間比由導通到截止的轉變時間要短。 總的來說，由于MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體多管的飽和電阻rCES要大的，漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大，所以， MOS管的充、放電時間較長，使MOS管的開關速度比晶體管的開關速度低。不過，在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低電阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開關速度。CMOS電路圖 CMOS電路圖條件 晶體二極管 晶體三極管PMOS管 NMOS管開關電路DU