數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)3-1課件

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(shí)，通過開關(guān)的電流i=0，這時(shí)開關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的電阻為無窮大。(2)開關(guān)S閉合時(shí)，開關(guān)兩端的電壓v=0，這時(shí)開關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的電阻為零。(3)開關(guān)S的接通或斷開動(dòng)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。１．二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性當(dāng)外加正向電壓時(shí)，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)二極管伏安特性iD＋－vD

穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性：電路處于相對(duì)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：２．二極管瞬態(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(hào)作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的開關(guān)特性。理想二極管作開關(guān)時(shí)，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)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IF－IRtstftrrtr當(dāng)t<t1時(shí)，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓為vD≈0.6~0.7V（以硅管為例），導(dǎo)通電流iD=IF=(VF－vD)/R≈VF/R。當(dāng)t=t1時(shí)，vI由VF突變?yōu)椋璙R，由于存儲(chǔ)電荷的存在，形成漂移電流，iD=(vI－vD)/R≈－VR/R，使存儲(chǔ)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(shí)間，稱為存儲(chǔ)時(shí)間ts。在這段時(shí)間內(nèi)，PN結(jié)維持正向偏置，反向電流IR近似不變。●存儲(chǔ)時(shí)間圖3-1-4二極管瞬態(tài)開關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IF－IRtstftrrtr●經(jīng)過ts時(shí)間后，反向電流使存儲(chǔ)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(shí)間稱為下降時(shí)間tf。通常以從0.9IR下降到0.1IR所需時(shí)間確定tf。trr=ts+tf稱為反向恢復(fù)時(shí)間。反向恢復(fù)時(shí)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(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間DRVREF1＋－圖3-1-5限幅電平為VREF1的串聯(lián)

下限限幅器及工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOVREF1OvOtVREF1３．二極管開關(guān)應(yīng)用電路

(1)限幅電路將輸入波形的一部分傳送到輸出端，而將其余部分抑制掉。常用的有串（并）聯(lián)上限、下限和雙向限幅器。圖3-1-5中，當(dāng)vI>VREF1時(shí)，二極管導(dǎo)通，vO≈vI；當(dāng)vI<VREF1時(shí)，二極管截止，vO=VREF1。這樣就將輸入波形中瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)了下限限幅的功能。演示D1R2VREF2＋－＋－vI(a)＋－vOD2R1VREF1＋－A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)VREF1<VREF2）

vI=0時(shí)，A點(diǎn)電位為

vI≤VA時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，vO≈VA。實(shí)現(xiàn)下限限幅，限幅電平為VA。

vI≥VREF2時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，vO≈VREF2。實(shí)現(xiàn)上限限幅，限幅電平為VREF2。當(dāng)VA<vI<VREF2時(shí)，D1、D2均導(dǎo)通，輸出vO≈vI。DRVREF1＋－圖3-1-7并聯(lián)下限限幅器及其工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOOvOtVREF并聯(lián)下限限幅器D1RVREF2＋－＋－vI(a)＋－vOD2VREF1＋－圖3-1-8并聯(lián)雙向限幅電路及其工作波形(b)OvOtVREF1vIVREF2并聯(lián)雙向限幅器演示DR圖3-1-9鉗位電路及工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOOvOtVmCVm－VmVmΔVΔVT1T2t1t2t3t4t5t6●當(dāng)t=t2時(shí)，vI由Vm負(fù)跳變至0，vO則由0跳變至－Vm。在t2～t3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(shí)，vI由0正跳變至Vm，vO從(－Vm+ΔV)值上跳至ΔV。之后t3～t4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)?？梢?，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)＋－vOCVREF＋－DR＋－vI(b)＋－vOCVREF－＋RC＋－vI＋－vOVCCRBT圖3-1-11基本單管共射電路如圖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(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在飽和型開關(guān)電路中，穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)vI=VIL時(shí)，晶體三極管穩(wěn)定工作于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)vI=VIH時(shí)，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。２．三極管瞬態(tài)開關(guān)特性當(dāng)vI從－V跳變＋V時(shí)，晶體管不能立即導(dǎo)通，要經(jīng)歷一段延遲時(shí)間td和一個(gè)上升時(shí)間tr，iC才能接近于最大值ICS。ton=td+tr稱為開通時(shí)間。Ot＋V－VvIOiCtOvOtontdtrtstftoff●●圖3-1-13三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性tICS●●0.9ICS0.1ICS開通時(shí)間Ot＋V－VvIOiCtOvOtontdtrtstftoff●●圖3-1-13三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性tICS●●0.9ICS0.1ICS關(guān)斷時(shí)間當(dāng)vI從＋V跳變－V時(shí)，晶體管也不能立即截止，要經(jīng)歷一段存儲(chǔ)時(shí)間ts和一個(gè)下降時(shí)間tf，iC才逐漸下降到0。toff=ts+tf稱為關(guān)斷時(shí)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(gè)階段。12345x=0x=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(shí)間，即為延遲時(shí)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越短；三極管截止時(shí)反偏越大，td越長；正向驅(qū)動(dòng)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(shí)間即為上升時(shí)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??；基極驅(qū)動(dòng)電流越大，tr也越短。RC－VBBvIvOVCCR1TCVL＋－R1R2R2－＋VBBBEVH＋－R1R2－＋VBBBE＋－VBE(sat)iBi1i2(a)(b)(c)●●●圖3-1-15晶體三極管反相器３．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、最基本的電路是反相器電路。當(dāng)vI=VL時(shí)，可靠工作于截止?fàn)顟B(tài)；vI=VH