大二下數(shù)字電路邏輯設(shè)計3

1、3.1晶體管的開關(guān)特性3.1.1晶體二極管開關(guān)特性3.1.2晶體三極管開關(guān)特性SRV圖3-1-1 理想開關(guān)3.1.1晶體二極管開關(guān)特性理想開關(guān)的特性：(1) 開關(guān)S斷開時，通過開關(guān)的電流i=0，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為無窮大。(2) 開關(guān)S閉合時，開關(guān)兩端的電壓v=0，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為零。(3) 開關(guān)S的接通或斷開動作瞬間完成。(4) 上述開關(guān)特性不受其他因素（如溫度等）的影響。二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性當(dāng)外加正向電壓時，正向電流隨電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增加。圖中Vth稱為正向開啟電壓或門限電壓，也稱為閾值電壓。iDvDVthISO圖3-1-2 二極管伏安特性(a) 二極管電路表示(b)

2、 二極管伏安特性iDvD穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性：電路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。二極管的伏安特性方程為：iDvDOiDvDVthO圖3-1-2 二極管伏安特性(c) 理想二極管開關(guān)特性(d) 二極管特性折線簡化當(dāng)二極管作為開關(guān)使用時，可將其伏安特性折線化。當(dāng)正向偏置時，二極管導(dǎo)通，壓降為Vth值，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)反向偏置時，二極管截止，流過的電流為反向飽和電流，非常小，相當(dāng)于開關(guān)斷開。結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r，相當(dāng)于開關(guān)閉合，但兩端仍有電位降落；反向截止時，相當(dāng)于開關(guān)斷開，存在反向電流。此外，二極管的Vth和IS都與溫度有關(guān)。通常

3、硅二極管的Vth值取0.7V，鍺二極管取0.3V。二極管瞬態(tài)開關(guān)特性電路處于瞬變狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。具體的說，就是晶體管在大信號作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通時呈現(xiàn)的開關(guān)特性。理想二極管作開關(guān)時，在外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都是在瞬間完成，沒有過渡過程。DRvI圖3-1-3 理想二極管開關(guān)特性vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF圖3-1-4 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr當(dāng)tt1時，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓為vD0.60.7V（以硅管為例），導(dǎo)通電流iD=IF=(VFvD)/

4、RVF/R。當(dāng)t=t1時，vI由VF突變?yōu)閂R，由于存儲電荷的存在，形成漂移電流，iD=(vIvD)/RVR/R，使存儲電荷不斷減少。從vI負(fù)跳變開始至反向電流降到0.9IR所需的時間，稱為存儲時間ts。在這段時間內(nèi)，PN結(jié)維持正向偏置，反向電流IR近似不變。存儲時間圖3-1-4 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr經(jīng)過ts時間后，反向電流使存儲電荷繼續(xù)消失，空間電荷區(qū)逐漸加寬，二極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。反向電流由IR減小至反向飽和電流值，這段時間稱為下降時間tf。通常以從0.9IR下降到0.1IR所需時間確定tf。trr= ts+ tf 稱為

5、反向恢復(fù)時間。反向恢復(fù)時間是影響二極管開關(guān)速度的主要原因，是二極管開關(guān)特性的重要參數(shù)。下降時間反向恢復(fù)時間圖3-1-4 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr在tVREF1時，二極管導(dǎo)通，vOvI；當(dāng)vIVREF1時，二極管截止，vO=VREF1。這樣就將輸入波形中瞬時電位低于VREF1的部分抑制掉，而將高于VREF1的部分波形傳送到輸出端，實現(xiàn)了下限限幅的功能。演 示D1R2VREF2vI(a)vOD2R1VREF1A圖3-1-6 串聯(lián)雙向限幅器及其工作波形(b)OvOtVREF2VAvI串聯(lián)雙向限幅器（假設(shè)VREF1VREF2）vI=0

6、時，A點電位為vIVA時，D1截止，D2導(dǎo)通，vOVA。實現(xiàn)下限限幅，限幅電平為VA 。vIVREF2時，D1導(dǎo)通，D2截止，vOVREF2。實現(xiàn)上限限幅，限幅電平為VREF2。當(dāng)VAvIrD(rD為二極管導(dǎo)通電阻)，時間常數(shù)1= rDCT2(輸入脈沖休止期)。在t1t2期間，在vI由0正跳變至Vm時，由于電容兩端電壓不能突變，故vO正跳變至Vm，二極管導(dǎo)通，電容很快充電至Vm，vO很快下降到0。DR圖3-1-9 鉗位電路及工作波形vI(a)(b)OvItvOOvOtVmCVmVmVmVVT1T2t1t2t3t4t5t6當(dāng)t = t2時，vI由Vm負(fù)跳變至0， vO則由0跳變至Vm。在t2t3

7、期間，二極管截止，電容通過電阻R放電，vO緩慢上升。上升值為：當(dāng)t = t3時，vI由0正跳變至Vm， vO從(Vm+V)值上跳至V。之后t3t4期間二極管導(dǎo)通，C很快充電至Vm，vO迅速下降至0V。此后電路工作情況周期性重復(fù)。可見，輸出波形的頂部被鉗定在0V。DR圖3-1-10 鉗位電平為VREF (VREF)的鉗位電路vI(a)vOCVREFDRvI(b)vOCVREF若需要改變鉗位電平，可以在二極管D的支路中串接一個電源VREF。RCvIvOVCCRBT圖3-1-11 基本單管共射電路3.1.2晶體三極管開關(guān)特性在脈沖與數(shù)字電路中，在大幅度信號作用下，晶體管交替工作于截止區(qū)與飽和區(qū)，作為

8、開關(guān)元件使用。三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性如圖3-1-11所示基本單管共射電路。傳輸特性是指電路的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系?；締喂芄采潆娐返膫鬏斕匦郧€大體上分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。圖3-1-12 單管共射電路傳輸特性vI/VvO/V10500.511.5截止放大飽和當(dāng)vIVth時，工作于截止區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置，即vBvE，vBVth而小于某一數(shù)值（圖中約為1V）時，工作于放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即vBvE，vB1當(dāng)vI大于某一數(shù)值時，工作于飽和區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏，即vBvE，vBvC。且iB滿足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此時，vO=VC

9、E(sat)0； iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/ RC。晶體管C、E之間相當(dāng)于開關(guān)閉合。在飽和型開關(guān)電路中，穩(wěn)態(tài)時，當(dāng)vI=VIL時，晶體三極管穩(wěn)定工作于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)vI=VIH時，晶體三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)。S=iB/IBS稱為飽和系數(shù)，S越大，飽和深度越深。三極管瞬態(tài)開關(guān)特性當(dāng)vI從V跳變V時，晶體管不能立即導(dǎo)通，要經(jīng)歷一段延遲時間td和一個上升時間tr，iC才能接近于最大值ICS。ton= td+tr稱為開通時間。OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff圖3-1-13 三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性tICS0.9ICS0.1ICS開通時間OtVVvIOiCtOvO

10、tontdtrtstftoff圖3-1-13 三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性tICS0.9ICS0.1ICS關(guān)斷時間當(dāng)vI從V跳變V時，晶體管也不能立即截止，要經(jīng)歷一段存儲時間ts和一個下降時間tf，iC才逐漸下降到0。toff= ts+tf稱為關(guān)斷時間。(1) 晶體三極管由截止?fàn)顟B(tài)過渡到飽和狀態(tài)的過程?？煞譃榘l(fā)射結(jié)由反偏至正偏和集電極電流形成兩個階段。12345x=0 x=wNPNQBSnb(x)pc(x)QCSpe(x)圖3-1-14 晶體三極管基區(qū)少子 濃度分布曲線發(fā)射結(jié)變?yōu)檎?，并逐漸形成集電極電流所需的時間，即為延遲時間td，其長短取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。三極管結(jié)電容越小， td

11、越短；三極管截止時反偏越大，td越長；正向驅(qū)動電流越大，td越短。發(fā)射結(jié)正偏后，集電極電流iC不斷上升，達(dá)到0.9ICS所需時間即為上升時間tr。tr的大小也取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件?；鶇^(qū)寬度w越小，tr也越?。换鶚O驅(qū)動電流越大，tr也越短。(2) 晶體三極管由飽和狀態(tài)過渡到截止?fàn)顟B(tài)的過程?？煞譃轵?qū)散基區(qū)多余存儲電荷及驅(qū)散基區(qū)存儲電荷兩個階段。三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)時，基區(qū)形成有多余存儲電荷的累積QBS，當(dāng)vI負(fù)向跳變時，QBS全部消失所需時間即為存儲時間ts。飽和度越深，ts越長；基極反向驅(qū)動電流越大，QBS消失越快，ts越短。集電結(jié)兩邊多余存儲電荷QBS和QCS全部消失后，集電結(jié)轉(zhuǎn)向反偏，基極反向驅(qū)動電流使基區(qū)存儲電荷QB開始消失，iC逐漸減小至0.1ICS所需時間即為下降時間tf。反向驅(qū)動電流越大，tf越短。RCVBBvIvOVCCR1TCVLR1R2R2VBBBEVHR1R2VBBBEVBE(sat)iBi1i2(a)(b)(c)圖3-1-15 晶體三極管反相器晶體三極管開關(guān)應(yīng)用電路利用晶體三極管作開關(guān)，最常用、最基本的電