数字电路与逻辑设计.ppt

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1、3.1晶体管的开关特性,晶体二极管开关特性,晶体三极管开关特性,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。,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。,iD,vD,Vth,IS,O,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

2、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：,iD,vD,O,iD,vD,Vth,O,图3-1-2 二极管伏安特性,(c)理想二极管开关特性,(d)二极管特性折线简化,当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化。当正向偏置时，二极管导通，压降为Vth值，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流，非常小，相当于开关断开。,结论：在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一定差异。主要表现为，正向导通时，相当于开关闭合，但两端仍有电位降落；反向截止时，相当于开关断开，存在反向电流。此外，二极管的Vth和IS都与温度有关。,通常硅二

3、极管的Vth值取0.7V，锗二极管取0.3V。,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。,D,R,vI,图3-1-3 理想二极管开关特性,vD,iD,(a),O,vI,t,(b),O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,VR,IF,图3-1-4 二极管瞬态开关特性,O,vI,t,O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,t1,t2,t1,t2,IF,IR,ts,tf,trr,tr,当tt1时，二极

4、管导通，导通电压为vD0.60.7V（以硅管为例），导通电流iD=IF=(VFvD)/RVF/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=(vIvD)/RVR/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,O,vI,t,O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,t1,t2,t1,t2,IF,IR,ts,tf,trr,tr,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

5、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,图3-1-4 二极管瞬态开关特性,O,vI,t,O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,t1,t2,t1,t2,IF,IR,ts,tf,trr,tr,在tt2期间，二极管反向截止，vD=VR，iD=IS，空间电荷区很宽。当t=t2时，vI由VR突变为VF。由于二极管两端电压不能突变，电路中产生瞬时大电流(VR+VF)/R，二极管迅速导通，iD由(VR+VF

6、)/R迅速下降到iD=IF=VF/R。从vI正向跳变到二极管正向导通称为二极管的正向恢复时间，通常用vD的上升时间tr来描述。与trr相比，正向恢复时间可忽略不计。,上升时间,D,R,VREF1,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),O,vI,t,vO,VREF1,O,vO,t,VREF1,二极管开关应用电路(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vIVREF1时，二极管导通，vOvI；当vIVREF1时，二极管截止，vO=VREF1。这样就将输入波形中瞬时电

7、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,D1,R2,VREF2,vI,(a),vO,D2,R1,VREF1,A,图3-1-6 串联双向限幅器及其工作波形,(b),O,vO,t,VREF2,VA,vI,串联双向限幅器（假设VREF1VREF2）,vI=0时，A点电位为,vIVA时，D1截止，D2导通，vOVA。实现下限限幅，限幅电平为VA。,vIVREF2时，D1导通，D2截止，vOVREF2。实现上限限幅，限幅电平为VREF2。,当VAvIVREF2时，D1、D2均导通，输出vOvI。,D,R,VREF1,图3-1-7 并联下限限

8、幅器 及其工作波形,vI,(a),(b),O,vI,t,vO,O,vO,t,VREF,并联下限限幅器,演 示,D,R,图3-1-9 钳位电路及工作波形,vI,(a),(b),O,vI,t,vO,O,vO,t,Vm,C,Vm,Vm,Vm,V,V,T1,T2,t1,t2,t3,t4,t5,t6,(2)钳位电路将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一电平上。,图3-1-9中，设电容C初始电压为0，满足R rD(rD为二极管导通电阻)，时间常数1=rDCT2(输入脉冲休止期)。,在t1t2期间，在vI由0正跳变至Vm时，由于电容两端电压不能突变，故vO正跳变至Vm，二极管导通，电容很快充电至Vm，vO很快下降

9、到0。,D,R,图3-1-9 钳位电路及工作波形,vI,(a),(b),O,vI,t,vO,O,vO,t,Vm,C,Vm,Vm,Vm,V,V,T1,T2,t1,t2,t3,t4,t5,t6,当t=t2时，vI由Vm负跳变至0，vO则由0跳变至Vm。在t2t3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+V)值上跳至V。之后t3t4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。,D,R,图3-1-10 钳位电平为VREF(VREF)的钳位电路,vI,(a),

10、vO,C,VREF,D,R,vI,(b),vO,C,VREF,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。,图3-1-12 单管共射电路传输特性,vI/V,vO/V,10,5,0,0.5,1,1.5,截止,放大,饱和,当vIVth时，工作于截止区。发射结和集电结均为反向偏置，即vBvE，vBvC。此时iB0，iC0，vOVCC。晶体管相当于开关断开。,当vIVth而小于某一数值（图中约为1V）时，工作于放大区。发射结正偏，集电结反偏，即vBvE，vB1,当vI大于某一数值时，工

11、作于饱和区。发射结和集电结均为正偏，即vBvE，vBvC。且iB满足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此时，vO=VCE(sat)0；iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/RC。晶体管C、E之间相当于开关闭合。,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。,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。,0.9ICS,0.1ICS,

12、开通时间,0.9ICS,0.1ICS,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。,1,2,3,4,5,x=0,x=w,N,P,N,QBS,nb(x),pc(x),QCS,pe(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，

13、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。,(2)晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。,可分为驱散基区多余存储电荷及驱散基区存储电荷两个阶段。,三极管稳定工作于饱和状态时，基区形成有多余存储电荷的累积QBS，当vI负向跳变时，QBS全部消失所需时间即为存储时间ts。饱和度越深，ts越长；基极反向驱动电流越大，QBS消失越快，ts越短。,集电结两边多余存储电荷QBS和QCS全部消失后，集电结转向反偏，基极

14、反向驱动电流使基区存储电荷QB开始消失，iC逐渐减小至0.1ICS所需时间即为下降时间tf。反向驱动电流越大，tf越短。,RC,VBB,vI,vO,VCC,R1,T,C,VL,R1,R2,R2,VBB,B,E,VH,R1,R2,VBB,B,E,VBE(sat),iB,i1,i2,(a),(b),(c),图3-1-15 晶体三极管反相器,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时，可靠工作于饱和状态。,当vI=VL时，为保证可靠截止，要求vBE0。,可见，增大VBB，或增大R1、减小R2，对截止有利。三极管截止时，vO=VH=VCC。,当vI=VH时，晶体三极管饱和，vO=VL=VCE(sat)0。增大R2、减小R1，对可靠饱和有利。,由此可见，输出电压与输入电压反相，故称反相器。,0,