数字电路与逻辑设计3-1课件

3.1

晶体管的开关特性3.1.1晶体二极管开关特性3.1.2晶体三极管开关特性SRV图3-1-1理想开关＋－3.1.1晶体二极管开关特性理想开关的特性：(1)开关S断开时，通过开关的电流i=0，这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大。(2)开关S闭合时，开关两端的电压v=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。(3)开关S的接通或断开动作瞬间完成。(4)上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。１．二极管稳态开关特性当外加正向电压时，正向电流随电压的增加按指数规律增加。图中Vth称为正向开启电压或门限电压，也称为阈值电压。iDvDVthISO图3-1-2二极管伏安特性(a)二极管电路表示(b)二极管伏安特性iD＋－vD

稳态开关特性：电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性。二极管的伏安特性方程为：２．二极管瞬态开关特性

电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性。具体的说，就是晶体管在大信号作用下，由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性。理想二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，没有过渡过程。DRvI＋－图3-1-3理想二极管开关特性＋－vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF图3-1-4二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IF－IRtstftrrtr当t<t1时，二极管导通，导通电压为vD≈0.6~0.7V（以硅管为例），导通电流iD=IF=(VF－vD)/R≈VF/R。当t=t1时，vI由VF突变为－VR，由于存储电荷的存在，形成漂移电流，iD=(vI－vD)/R≈－VR/R，使存储电荷不断减少。从vI负跳变开始至反向电流降到0.9IR所需的时间，称为存储时间ts。在这段时间内，PN结维持正向偏置，反向电流IR近似不变。●存储时间图3-1-4二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IF－IRtstftrrtr●经过ts时间后，反向电流使存储电荷继续消失，空间电荷区逐渐加宽，二极管转为截止状态。反向电流由IR减小至反向饱和电流值，这段时间称为下降时间tf。通常以从0.9IR下降到0.1IR所需时间确定tf。trr=ts+tf称为反向恢复时间。反向恢复时间是影响二极管开关速度的主要原因，是二极管开关特性的重要参数。下降时间反向恢复时间DRVREF1＋－图3-1-5限幅电平为VREF1的串联

下限限幅器及工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOVREF1OvOtVREF1３．二极管开关应用电路

(1)限幅电路将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制掉。常用的有串（并）联上限、下限和双向限幅器。图3-1-5中，当vI>VREF1时，二极管导通，vO≈vI；当vI<VREF1时，二极管截止，vO=VREF1。这样就将输入波形中瞬时电位低于VREF1的部分抑制掉，而将高于VREF1的部分波形传送到输出端，实现了下限限幅的功能。演示D1R2VREF2＋－＋－vI(a)＋－vOD2R1VREF1＋－A图3-1-6串联双向限幅器及其工作波形(b)OvOtVREF2VAvI串联双向限幅器（假设VREF1<VREF2）

vI=0时，A点电位为

vI≤VA时，D1截止，D2导通，vO≈VA。实现下限限幅，限幅电平为VA。

vI≥VREF2时，D1导通，D2截止，vO≈VREF2。实现上限限幅，限幅电平为VREF2。当VA<vI<VREF2时，D1、D2均导通，输出vO≈vI。DRVREF1＋－图3-1-7并联下限限幅器及其工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOOvOtVREF并联下限限幅器D1RVREF2＋－＋－vI(a)＋－vOD2VREF1＋－图3-1-8并联双向限幅电路及其工作波形(b)OvOtVREF1vIVREF2并联双向限幅器演示DR图3-1-9钳位电路及工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOOvOtVmCVm－VmVmΔVΔVT1T2t1t2t3t4t5t6●当t=t2时，vI由Vm负跳变至0，vO则由0跳变至－Vm。在t2～t3期间，二极管截止，电容通过电阻R放电，vO缓慢上升。上升值为：当t=t3时，vI由0正跳变至Vm，vO从(－Vm+ΔV)值上跳至ΔV。之后t3～t4期间二极管导通，C很快充电至Vm，vO迅速下降至0V。此后电路工作情况周期性重复。可见，输出波形的顶部被钳定在0V。DR图3-1-10钳位电平为VREF

(－VREF)的钳位电路＋－vI(a)＋－vOCVREF＋－DR＋－vI(b)＋－vOCVREF－＋RC＋－vI＋－vOVCCRBT图3-1-11基本单管共射电路如图3-1-11所示基本单管共射电路。传输特性是指电路的输出电压与输入电压的函数关系。基本单管共射电路的传输特性曲线大体上分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。在饱和型开关电路中，稳态时，当vI=VIL时，晶体三极管稳定工作于截止状态；当vI=VIH时，晶体三极管稳定工作于饱和状态。S=iB/IBS称为饱和系数，S越大，饱和深度越深。２．三极管瞬态开关特性当vI从－V跳变＋V时，晶体管不能立即导通，要经历一段延迟时间td和一个上升时间tr，iC才能接近于最大值ICS。ton=td+tr称为开通时间。Ot＋V－VvIOiCtOvOtontdtrtstftoff●●图3-1-13三极管的瞬态开关特性tICS●●0.9ICS0.1ICS开通时间Ot＋V－VvIOiCtOvOtontdtrtstftoff●●图3-1-13三极管的瞬态开关特性tICS●●0.9ICS0.1ICS关断时间当vI从＋V跳变－V时，晶体管也不能立即截止，要经历一段存储时间ts和一个下降时间tf，iC才逐渐下降到0。toff=ts+tf称为关断时间。(1)晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程。可分为发射结由反偏至正偏和集电极电流形成两个阶段。12345x=0x=wNPNQBSnb(x)pc(x)QCSpe(x)图3-1-14晶体三极管基区少子

浓度分布曲线发射结变为正偏，并逐渐形成集电极电流所需的时间，即为延迟时间td，其长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。三极管结电容越小，td越短；三极管截止时反偏越大，td越长；正向驱动电流越大，td越短。发射结正偏后，集电极电流iC不断上升，达到0.9ICS所需时间即为上升时间tr。

tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。基区宽度w越小，tr也越小；基极驱动电流越大，tr也越短。RC－VBBvIvOVCCR1TCVL＋－R1R2R2－＋VBBBEVH＋－R1R2－＋VBBBE＋－VBE(sat)iBi1i2(a)(b)(c)●●●图3-1-15晶体三极管反相器３．晶体三极管开关应用电路利用晶体三极管作开关，最常用、最基本的电路是反相器电路。当vI=VL时，可靠工作于截止状态；vI=VH