数字电路逻辑设计课件：3-1.PPT

1、3.1晶体管的开关特性3.1.13.1.1晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性3.1.23.1.2晶体三极管开关特性晶体三极管开关特性SRV图3- -1- -1 理想开关3.1.13.1.1晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性理想开关的特性：理想开关的特性：(1) 开关开关S断开时，通过开关的电流断开时，通过开关的电流i=0，这时开关两端点间呈现的电阻为无，这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大。穷大。(2) 开关开关S闭合时，开关两端的电压闭合时，开关两端的电压v=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。，这时开关两端点间呈现的电阻为零。(3) 开关开关S的接通或断开动作瞬间完成。的接通或断开动作瞬

2、间完成。(4) 上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。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二极管稳态开关特性当外加正向电压时，正当外加正向电压时，正向电流随电压的增加按指数向电流随电压的增加按指数规律增加。图中规律增加。图中Vth称为正向称为正向开启电压开启电压或或门限电压门限电压，也称，也称为为阈值电压阈值电压。iDvDVthISO图3- -1- -2 二极管伏安特性(a) 二极管电路表示二极管电路表示(b) 二极管伏安特性二极管伏安特性iDvD稳态开关特性：稳态开关特性：电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性。的开

3、关特性。二极管的伏安特性方程二极管的伏安特性方程为：为：)1e (DSD kTqvIi计。计。值很小，通常可忽略不值很小，通常可忽略不称为反向饱和电流，数称为反向饱和电流，数。，则有，则有，此时，此时，由于，由于当外加反向电压时当外加反向电压时SSDD1e0DIIivkTqv iDvDOiDvDVthO图3- -1- -2 二极管伏安特性(c) 理想理想二极管开关特性二极管开关特性(d) 二极管特性折线简化二极管特性折线简化当二极管作为开关使用当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化。时，可将其伏安特性折线化。当正向偏置时，二极管导通，当正向偏置时，二极管导通，压降为压降为Vth值，相当于

4、开关值，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向管截止，流过的电流为反向饱和电流，非常小，相当于饱和电流，非常小，相当于开关断开。开关断开。结论：结论：在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一在稳态情况下，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。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，二极管的此外，二极管的Vth和和IS都与温度有关。都与温度有关。通常硅二极管的通常硅二极管的

5、Vth值取值取0.7V，锗二极管取，锗二极管取0.3V。二极管瞬态开关特性二极管瞬态开关特性电路处于瞬变状态下晶体电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性。具体的管所呈现的开关特性。具体的说，就是晶体管在大信号作用说，就是晶体管在大信号作用下，由导通到截止或者由截止下，由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性。到导通时呈现的开关特性。理想二极管作开关时，在理想二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，由导通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到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，没有过渡过程。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

6、)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF图3- -1- -4 二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr当当tt1时，二极管导通，导通电时，二极管导通，导通电压为压为vD0.60.7V（以硅管为例），（以硅管为例），导通电流导通电流iD=IF=(VFvD)/RVF/R。当当t=t1时，时，vI由由VF突变为突变为VR，由于存储电荷的存在，形成漂移电由于存储电荷的存在，形成漂移电流，流，iD=(vIvD)/RVR/R，使存储，使存储电荷不断减少。从电荷不断减少。从vI负跳变开始至负跳变开始至反向电流降到反向电流降到0.9IR所需的时间，称

7、所需的时间，称为为存储时间存储时间ts。在这段时间内，。在这段时间内，PN结维持正向偏置，反向电流结维持正向偏置，反向电流IR近似近似不变。不变。存储时间存储时间图3- -1- -4 二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr经过经过ts时间后，反向电流使存储时间后，反向电流使存储电荷继续消失，空间电荷区逐渐加电荷继续消失，空间电荷区逐渐加宽，二极管转为截止状态。宽，二极管转为截止状态。反向电流由反向电流由IR减小至反向饱和减小至反向饱和电流值，这段时间称为电流值，这段时间称为下降时间下降时间tf。通常以从通常以从0.9IR下降到下降到0.1I

8、R所需时间所需时间确定确定tf。trr= ts+ tf 称为称为反向恢复时间反向恢复时间。反向恢复时间是影响二极管开反向恢复时间是影响二极管开关速度的主要原因，是二极管开关关速度的主要原因，是二极管开关特性的重要参数。特性的重要参数。下降时间下降时间反向恢复时间反向恢复时间图3- -1- -4 二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr在在tVREF1时，二时，二极管导通，极管导通，vOvI；当；当vIVREF1时，时，二极管截止，二极管截止，vO=VREF1。这样就将。这样就将输入波形中瞬时电位低于输入波形中瞬时电位低于VREF1的部的部分抑

9、制掉，而将高于分抑制掉，而将高于VREF1的部分波的部分波形传送到输出端，实现了下限限幅形传送到输出端，实现了下限限幅的功能。的功能。演演 示示D1R2VREF2vI(a)vOD2R1VREF1A图3- -1- -6 串联双向限幅器及其工作波形(b)OvOtVREF2VAvI串联双向限幅器串联双向限幅器（假设（假设VREF1VREF2）vI=0时，时，A点电位为点电位为TREF1121REF1REF2AVRRRVVV vIVA时，时，D1截止，截止，D2导通，导通，vOVA。实现下限限幅，限幅。实现下限限幅，限幅电平为电平为VA 。vIVREF2时，时，D1导通，导通，D2截止，截止，vOVR

10、EF2。实现上限限幅，。实现上限限幅，限幅电平为限幅电平为VREF2。当当VAvIrD(rD为二极管导通为二极管导通电阻电阻)，时间常数，时间常数1= rDCT2(输入输入脉冲休止期脉冲休止期)。在在t1t2期间，在期间，在vI由由0正跳变正跳变至至Vm时，由于电容两端电压不能突时，由于电容两端电压不能突变，故变，故vO正跳变至正跳变至Vm，二极管导通，二极管导通，电容很快充电至电容很快充电至Vm，vO很快下降到很快下降到0。DR图3- -1- -9 钳位电路及工作波形vI(a)(b)OvItvOOvOtVmCVmVmVmVVT1T2t1t2t3t4t5t6当当t = t2时，时，vI由由Vm

11、负跳变至负跳变至0， vO则由则由0跳变至跳变至Vm。在。在t2t3期间，期间，二极管截止，电容通过电阻二极管截止，电容通过电阻R放电，放电，vO缓慢上升。上升值为：缓慢上升。上升值为：m2VRCTV 当当t = t3时，时，vI由由0正跳变至正跳变至Vm， vO从从(Vm+V)值上跳至值上跳至V。之后。之后t3t4期间二极管导通，期间二极管导通，C很快充电很快充电至至Vm，vO迅速下降至迅速下降至0V。此后电。此后电路工作情况周期性重复。路工作情况周期性重复。可见，输出波形的顶部被钳定可见，输出波形的顶部被钳定在在0V。DR图3- -1- -10 钳位电平为VREF (VREF)的钳位电路v

12、I(a)vOCVREFDRvI(b)vOCVREF若需要改变钳位电平，可以在二极管若需要改变钳位电平，可以在二极管D的支路中串接一个的支路中串接一个电源电源VREF。RCvIvOVCCRBT图3- -1- -11 基本单管共射电路3.1.23.1.2晶体三极管开关特性晶体三极管开关特性在脉冲与数字电路中，在大幅度信号作用下，晶体管交替在脉冲与数字电路中，在大幅度信号作用下，晶体管交替工作于工作于截止区截止区与与饱和区饱和区，作为开关元件使用。，作为开关元件使用。三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性如如图图3- -1- -11所示基本单管共射电路。所示基本单管共射电路。CCCCCEOBBIBEi

13、RVvviRvv 传输特性是指电路的输出电压与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。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/VvO/V10500.511.5截止截止放大放大饱和饱和当当vIVth时，工作于截止时，工作于截止区。区。发射结和集电结均为反发射结和集电结均为反向偏置，即向偏置，即vBvE，vBVth而小于某一数值（图中约为而小于某一数值（图中约为1V）时，工作于放大）时，工作于放大区。区。发射结正偏

14、，集电结反偏，即发射结正偏，集电结反偏，即vBvE，vB1当当vI大于某一数值时，工作于饱和区。大于某一数值时，工作于饱和区。发射结和集电结均发射结和集电结均为正偏，即为正偏，即vBvE，vBvC。且。且iB满足：满足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此时，此时，vO=VCE(sat)0； iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/ RC。晶体管。晶体管C、E之间相当于开关闭合。之间相当于开关闭合。在饱和型开关电路中，稳态时，当在饱和型开关电路中，稳态时，当vI=VIL时，晶体三极管稳时，晶体三极管稳定工作于截止状态；当定工作于截止状态；当vI=VIH时，晶体三极管稳定工作于饱和

15、时，晶体三极管稳定工作于饱和状态。状态。S=iB/IBS称为称为饱和系数饱和系数，S越大，饱和深度越深。越大，饱和深度越深。三极管瞬态开关特性三极管瞬态开关特性当当vI从从V跳变跳变V时，晶体时，晶体管不能立即导通，要经历一段管不能立即导通，要经历一段延延迟时间迟时间td和一个和一个上升时间上升时间tr，iC才才能接近于最大值能接近于最大值ICS。ton= td+tr称称为为开通时间开通时间。OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff图3- -1- -13 三极管的瞬态开关特性tICS0.9ICS0.1ICS开通时间开通时间OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff

16、图3- -1- -13 三极管的瞬态开关特性tICS0.9ICS0.1ICS关断时间关断时间当当vI从从V跳变跳变V时，晶体时，晶体管也不能立即截止，要经历一段管也不能立即截止，要经历一段存储时间存储时间ts和一个和一个下降时间下降时间tf，iC才才逐渐下降到逐渐下降到0。toff= ts+tf称为称为关断关断时间时间。(1) 晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程。晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程。可分为可分为发射结由反偏至正偏发射结由反偏至正偏和和集电极电流形成集电极电流形成两个阶段。两个阶段。12345x=0 x=wNPNQBSnb(x)pc(x)QCSpe(x)图3- -1-

17、 -14 晶体三极管基区少子 浓度分布曲线发射结变为正偏，并逐渐发射结变为正偏，并逐渐形成集电极电流所需的时间，形成集电极电流所需的时间，即为即为延迟时间延迟时间td，其长短取决，其长短取决于晶体三极管的结构和电路工于晶体三极管的结构和电路工作条件。三极管结电容越小，作条件。三极管结电容越小， td越短；三极管截止时反偏越越短；三极管截止时反偏越大，大，td越长；正向驱动电流越越长；正向驱动电流越大，大，td越短。越短。发射结正偏后，集电极电发射结正偏后，集电极电流流iC不断上升，达到不断上升，达到0.9ICS所需所需时间即为时间即为上升时间上升时间tr。tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电

18、路工作条件。基区的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。基区宽度宽度w越小，越小，tr也越小；基极驱动电流越大，也越小；基极驱动电流越大，tr也越短。也越短。(2) 晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。可分为可分为驱散基区多余存储电荷驱散基区多余存储电荷及及驱散基区存储电荷驱散基区存储电荷两个阶两个阶段。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的累积QBS，当，当vI负向跳变时，负向跳变时，QBS全部消失所需时间即为全部消失所需时间即为存储存储时间时间ts。饱和度越深，。

19、饱和度越深，ts越长；基极反向驱动电流越大，越长；基极反向驱动电流越大，QBS消失消失越快，越快，ts越短。越短。集电结两边多余存储电荷集电结两边多余存储电荷QBS和和QCS全部消失后，集电结转全部消失后，集电结转向反偏，基极反向驱动电流使基区存储电荷向反偏，基极反向驱动电流使基区存储电荷QB开始消失，开始消失，iC逐逐渐减小至渐减小至0.1ICS所需时间即为所需时间即为下降时间下降时间tf。反向驱动电流越大，。反向驱动电流越大，tf越短。越短。RCVBBvIvOVCCR1TCVLR1R2R2VBBBEVHR1R2VBBBEVBE(sat)iBi1i2(a)(b)(c)图3- -1- -15

20、晶体三极管反相器晶体三极管开关应用电路晶体三极管开关应用电路利用晶体三极管作开关，最常用、最基本的电路是利用晶体三极管作开关，最常用、最基本的电路是反相器反相器电路。电路。当当vI=VL时，可靠工作于截止状态；时，可靠工作于截止状态；vI=VH时，可靠工作于时，可靠工作于饱和状态。饱和状态。当当vI=VL时，为保证可靠截止，要求时，为保证可靠截止，要求vBE0。 BBL211LBEVVRRRVv 可见，增大可见，增大VBB，或增大，或增大R1、减小、减小R2，对截止有利。三极管，对截止有利。三极管截止时，截止时，vO=VH=VCC。当当vI=VH时，晶体三极管饱和，时，晶体三极管饱和，vO=VL=VCE(sat)0。增大。增大R2、减小减小R1，对可靠饱和有利。，对可靠饱和有利。由此可见，由此可见，输出电压与输入电压反相输出电压与输入电压反相，故称反相器。，故称反相器。0