四,晶体三极管开关特性
在数字电路中,三极管是作为开关使用的。 三极管
截止相当于开关断开;三极管饱和相当于开关闭合;因此
我们最关心三极管截止和饱和时的情况。
( 一)、稳态开关特性
理想稳态开关特性:
关态,输入低电平,三极管截止,C,E极间无电流。
IC等于 0,输出为 VCC。
开态,输入高电平,三极管导通,C,E极电压为零。
IC等于 VCC / RC,输出为 0V。
实际稳态开关特性:
关态,基极接负电压,集电结、发射结均反偏,IC=ICBO
输出约等于 VCC。 C,E之间无导通电流。
晶体三极管工作于截止区的说明见下图
发射极开路 IE=0 基极开路 基极加反压 -VBO
开关理想断开 C,E之间有穿透 可使 IE=0,临界截止
但不实用,此时 电流 ICEO 不可靠,使负压负于
IB= - ICBO 发射结正偏 VBO -VBO 才可靠
实际稳态开关特性:
开态,希望 VC(即输出电压 VO)接近于 0V,应工作
在饱和区,C,E结电压最小。
在放大区时,IB增加,IC成 ?
倍增加,但随着 IC的增加 VC逐渐
下降,当达到 VC =VB (硅管 约 0.7v)
时,CE结零偏,称为 临界饱和
此时 IB叫临界饱和基极电流 IBS,
此时 IC叫临界饱和集电极电流 ICS。
达到临界饱和之后,IB再增加
IC也增加不多了,进入饱和区,随
着 IB增加,饱和深度增加,VC有所
降低,最低约 0.3v ( 硅管 )。
总之,晶体三极管的稳态开关特性要求,
1,关态应可靠截止,条件是:
发射结和集电结 均反偏 VB ? VE,VB ? VC
通常在基极接负电压。
2,开态应可靠饱和,条件是:
发射结和集电结 均正偏 VB > VE,VB > VC
VCC — VCE( SAT临 ) ICS
使 IB > I BS = ———————————— = ——
? RC ?
上述公式是今后我们判断饱和与放大的依据。
判断工作状态的例题见书,自学!
(二)、瞬态开关特性
当晶体三极管发生由截止到饱和,或由饱和到截止
的状态翻转时,其工作特性称为瞬态特性。
瞬态开关特性也分理想特性和实际特性,由于三极
管也是 PN 结结构,存在电荷的积累和消散的过程,仍可
等效为位垒电容和扩散电容,所以状态转换不可能瞬间
完 成,要有一个过渡过程。
如下图所示,在状态转换过程中,存在着 位垒电容
充电, 扩散电容充电, 扩散电容放电 和位垒电容放电 几
种过程。也定义了开通时间(延迟 +上升),关断时间
(存储 +下降)几个参数,请看:
由上图可知:与理想瞬态开关特性相比,实际电路的
输出波形会发生畸变,边沿变差。作为定量分析,将波形
的畸变细分为:
对上升沿, 三极管从截止到导通,称为开通时间 TON
它包括,TON = TD + TR
延迟时间 TD,主要对应 位垒 电容的 充电 过程。
上升时间 TR,主要对应 扩散 电容的 充电 过程。
对下降沿, 三极管从导通到截止,称为关断时间 TOFF
它包括,TOFF = TS + TF
存储时间 TS,主要对应 扩散 电容的 放电 过程。
下降时间 TF,主要对应 位垒 电容的 放电 过程。
由于不同三极管的开通时间和关断时间不尽相同,为
便于综合性的对比,常用 平均延迟时间 Tpd来表示:
影响瞬态特性的内部和外部因素有哪些?
(三)、晶体三极管的开关参数
由书第 118页的参数表可见,开关参数分为稳态参数
和瞬态参数:
稳态开关参数:(饱和结压降、反向漏电流)
ICBO,ICEO, VCE( SAT) 和 VBE( SAT)
瞬态开关参数:(延迟时间)
ton 和 toff
五,晶体三极管反相器
顾名思义,反相器的作用是将输入信号 极性求反, 高
电平 变低 电平,低 电平 变高 电平。
(一)、工作原理
根据反相的要求:
当输入电压 VI为低电平 VL
时,输出 VO应为高电平 VH;
此时三极管应可靠截止。
当输入电压为高电平时,
输出应为低电平,此时三极管
应可靠饱和。
如何才能“可靠”呢?要
合理地选择元件参数。
1、可靠截止 使 B,E之间相当于开路。
由等效电路,基极电压 VBE为
R1V
BE=VL — ———— ( VL+VBB)R1+ R2
为可靠截止,VBE应小于等于 0,
故应满足关系式:
R1V
L — ———— ( VL+VBB) ? 0R1+ R2
可见 VBB,R1加大,R2减小对
截止有利。
2、可靠饱和 使 C,E间为饱和压降 由等效图
IB = I1 - I2
VH — VBE( SAT)
I1= —————————— R1
VBE( SAT) — VBB
I2= —————————— R2
VCC — VCE( SAT)
IBS = —————————— ? R
C
应使 IB ? IBS,我们定义饱和
IB
系数 S =—— S大,饱和深 减小 R1,增大 R2,IB
IBS 对饱和有利。
将上述表达式代入 IB = S ? IBS 但对截止不利,两者矛盾。
由反相器可靠截止、饱和的关系式,我们就可以设计
反相器基本电路了。
由于可靠饱和、可靠截止对 R1,R2的要求相反,所
以选择 R1,R2时应兼顾两方面的要求。
书中举例说明选定元件的方法,自己看一看。
计算元件参数的题目,无外是给定一部分参数,利
用上述关系式计算其他参数,应理解了公式的推导过程,
不要死记硬背。
在保证电路稳态参数(可靠截止、饱和)的同时,
应注意到:深度的饱和和截止,会对反相器的瞬态开关
特性产生不利的影响,使开通时间和关断时间加长,设
计时应全面考虑。
(二)、提高开关速度的两种方法
由于晶体三极管有位垒电容和扩散电容,在加上外部电
的分布电容、负载电容,所以输出波形失真,时间延
迟,为提高反相器的开关速度,可采用以下两种方法:
1、基极加速电容法
对 输入信号 进行处理,
加大瞬间电压幅度,缩短时间。
2、钳位二极管法
对 输出信号 加以处理,利用电容充电的起始部分比
较陡峭的特点,改善输出信号的上升沿。
输出波形上升时间的对比
由图可知,Vc1应为所需要的幅值
不采用钳位二极管时,最
终电压为任何值,上升时
间都是相同的。
Tr = o.23RcC0
采用钳位二极管时,需用
高低两组电源,高拉低走,
能够达到改善输出波形的
目的。
VccTr=RcC
0 ln ---------------Vcc - Vc1
(三)、反相器的带负载能力
负载能力是指当负载发生变化时,输出电路能够保证
其输出指标不变的能力。
先说明几个概念:
灌电流,流入反相器的负载电流,叫 灌电流 Ioi。
产生灌电流的负载叫 灌流负载 。
拉电流,流出反相器的负载电流,叫 拉电流 Iop。
产生拉电流的负载叫 拉流负载 。
负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最大灌
流 IoI M和最大拉流 IopM表示。
1、带灌流负载的能力
( 1 ) 三极管饱和时的灌流负载
Ic = IRC + IOI
灌电流加大,IC 加大,饱和
深度减小,过大则退出饱和。
因此应满足:
IC = IRC + IOI ? ? IB 即
IOIM ? ? IB — VCC / RC
进一步推论:
三极管饱和程度越深,IOI
加大使 IC加大后,退出饱和
的可能性越小,负载能力越
强。
另外,还要满足 IC = IRC + IOIM ? ICM
以免损坏三极管。 ICM为集电极最大额定电流 。
( 2)三极管截止时的灌流负载
灌电流全部流入钳位二极管,只要不超过二极管的
允许的最大值即可,通常负载能力很强。
2、带拉流负载的能力
( 1)三极管饱和时拉流负载
IOP = IRC - IC
IRC不变,IOP越大,IC越小,
有利于饱和,负载能力强。
IOPM ? VCC / RC
( 2)三极管截止时拉流负载
IRC = IDC1 + IOP
IRC一定,IOP越大,IDC1越
小,应保证钳位二极管的
正向导通电流,使其起到
钳位作用。 其中:
VCC - VC1I
RC = —————— R
C
总之 V
CC - VC1IOPM ? —————
RC
在数字电路中,三极管是作为开关使用的。 三极管
截止相当于开关断开;三极管饱和相当于开关闭合;因此
我们最关心三极管截止和饱和时的情况。
( 一)、稳态开关特性
理想稳态开关特性:
关态,输入低电平,三极管截止,C,E极间无电流。
IC等于 0,输出为 VCC。
开态,输入高电平,三极管导通,C,E极电压为零。
IC等于 VCC / RC,输出为 0V。
实际稳态开关特性:
关态,基极接负电压,集电结、发射结均反偏,IC=ICBO
输出约等于 VCC。 C,E之间无导通电流。
晶体三极管工作于截止区的说明见下图
发射极开路 IE=0 基极开路 基极加反压 -VBO
开关理想断开 C,E之间有穿透 可使 IE=0,临界截止
但不实用,此时 电流 ICEO 不可靠,使负压负于
IB= - ICBO 发射结正偏 VBO -VBO 才可靠
实际稳态开关特性:
开态,希望 VC(即输出电压 VO)接近于 0V,应工作
在饱和区,C,E结电压最小。
在放大区时,IB增加,IC成 ?
倍增加,但随着 IC的增加 VC逐渐
下降,当达到 VC =VB (硅管 约 0.7v)
时,CE结零偏,称为 临界饱和
此时 IB叫临界饱和基极电流 IBS,
此时 IC叫临界饱和集电极电流 ICS。
达到临界饱和之后,IB再增加
IC也增加不多了,进入饱和区,随
着 IB增加,饱和深度增加,VC有所
降低,最低约 0.3v ( 硅管 )。
总之,晶体三极管的稳态开关特性要求,
1,关态应可靠截止,条件是:
发射结和集电结 均反偏 VB ? VE,VB ? VC
通常在基极接负电压。
2,开态应可靠饱和,条件是:
发射结和集电结 均正偏 VB > VE,VB > VC
VCC — VCE( SAT临 ) ICS
使 IB > I BS = ———————————— = ——
? RC ?
上述公式是今后我们判断饱和与放大的依据。
判断工作状态的例题见书,自学!
(二)、瞬态开关特性
当晶体三极管发生由截止到饱和,或由饱和到截止
的状态翻转时,其工作特性称为瞬态特性。
瞬态开关特性也分理想特性和实际特性,由于三极
管也是 PN 结结构,存在电荷的积累和消散的过程,仍可
等效为位垒电容和扩散电容,所以状态转换不可能瞬间
完 成,要有一个过渡过程。
如下图所示,在状态转换过程中,存在着 位垒电容
充电, 扩散电容充电, 扩散电容放电 和位垒电容放电 几
种过程。也定义了开通时间(延迟 +上升),关断时间
(存储 +下降)几个参数,请看:
由上图可知:与理想瞬态开关特性相比,实际电路的
输出波形会发生畸变,边沿变差。作为定量分析,将波形
的畸变细分为:
对上升沿, 三极管从截止到导通,称为开通时间 TON
它包括,TON = TD + TR
延迟时间 TD,主要对应 位垒 电容的 充电 过程。
上升时间 TR,主要对应 扩散 电容的 充电 过程。
对下降沿, 三极管从导通到截止,称为关断时间 TOFF
它包括,TOFF = TS + TF
存储时间 TS,主要对应 扩散 电容的 放电 过程。
下降时间 TF,主要对应 位垒 电容的 放电 过程。
由于不同三极管的开通时间和关断时间不尽相同,为
便于综合性的对比,常用 平均延迟时间 Tpd来表示:
影响瞬态特性的内部和外部因素有哪些?
(三)、晶体三极管的开关参数
由书第 118页的参数表可见,开关参数分为稳态参数
和瞬态参数:
稳态开关参数:(饱和结压降、反向漏电流)
ICBO,ICEO, VCE( SAT) 和 VBE( SAT)
瞬态开关参数:(延迟时间)
ton 和 toff
五,晶体三极管反相器
顾名思义,反相器的作用是将输入信号 极性求反, 高
电平 变低 电平,低 电平 变高 电平。
(一)、工作原理
根据反相的要求:
当输入电压 VI为低电平 VL
时,输出 VO应为高电平 VH;
此时三极管应可靠截止。
当输入电压为高电平时,
输出应为低电平,此时三极管
应可靠饱和。
如何才能“可靠”呢?要
合理地选择元件参数。
1、可靠截止 使 B,E之间相当于开路。
由等效电路,基极电压 VBE为
R1V
BE=VL — ———— ( VL+VBB)R1+ R2
为可靠截止,VBE应小于等于 0,
故应满足关系式:
R1V
L — ———— ( VL+VBB) ? 0R1+ R2
可见 VBB,R1加大,R2减小对
截止有利。
2、可靠饱和 使 C,E间为饱和压降 由等效图
IB = I1 - I2
VH — VBE( SAT)
I1= —————————— R1
VBE( SAT) — VBB
I2= —————————— R2
VCC — VCE( SAT)
IBS = —————————— ? R
C
应使 IB ? IBS,我们定义饱和
IB
系数 S =—— S大,饱和深 减小 R1,增大 R2,IB
IBS 对饱和有利。
将上述表达式代入 IB = S ? IBS 但对截止不利,两者矛盾。
由反相器可靠截止、饱和的关系式,我们就可以设计
反相器基本电路了。
由于可靠饱和、可靠截止对 R1,R2的要求相反,所
以选择 R1,R2时应兼顾两方面的要求。
书中举例说明选定元件的方法,自己看一看。
计算元件参数的题目,无外是给定一部分参数,利
用上述关系式计算其他参数,应理解了公式的推导过程,
不要死记硬背。
在保证电路稳态参数(可靠截止、饱和)的同时,
应注意到:深度的饱和和截止,会对反相器的瞬态开关
特性产生不利的影响,使开通时间和关断时间加长,设
计时应全面考虑。
(二)、提高开关速度的两种方法
由于晶体三极管有位垒电容和扩散电容,在加上外部电
的分布电容、负载电容,所以输出波形失真,时间延
迟,为提高反相器的开关速度,可采用以下两种方法:
1、基极加速电容法
对 输入信号 进行处理,
加大瞬间电压幅度,缩短时间。
2、钳位二极管法
对 输出信号 加以处理,利用电容充电的起始部分比
较陡峭的特点,改善输出信号的上升沿。
输出波形上升时间的对比
由图可知,Vc1应为所需要的幅值
不采用钳位二极管时,最
终电压为任何值,上升时
间都是相同的。
Tr = o.23RcC0
采用钳位二极管时,需用
高低两组电源,高拉低走,
能够达到改善输出波形的
目的。
VccTr=RcC
0 ln ---------------Vcc - Vc1
(三)、反相器的带负载能力
负载能力是指当负载发生变化时,输出电路能够保证
其输出指标不变的能力。
先说明几个概念:
灌电流,流入反相器的负载电流,叫 灌电流 Ioi。
产生灌电流的负载叫 灌流负载 。
拉电流,流出反相器的负载电流,叫 拉电流 Iop。
产生拉电流的负载叫 拉流负载 。
负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最大灌
流 IoI M和最大拉流 IopM表示。
1、带灌流负载的能力
( 1 ) 三极管饱和时的灌流负载
Ic = IRC + IOI
灌电流加大,IC 加大,饱和
深度减小,过大则退出饱和。
因此应满足:
IC = IRC + IOI ? ? IB 即
IOIM ? ? IB — VCC / RC
进一步推论:
三极管饱和程度越深,IOI
加大使 IC加大后,退出饱和
的可能性越小,负载能力越
强。
另外,还要满足 IC = IRC + IOIM ? ICM
以免损坏三极管。 ICM为集电极最大额定电流 。
( 2)三极管截止时的灌流负载
灌电流全部流入钳位二极管,只要不超过二极管的
允许的最大值即可,通常负载能力很强。
2、带拉流负载的能力
( 1)三极管饱和时拉流负载
IOP = IRC - IC
IRC不变,IOP越大,IC越小,
有利于饱和,负载能力强。
IOPM ? VCC / RC
( 2)三极管截止时拉流负载
IRC = IDC1 + IOP
IRC一定,IOP越大,IDC1越
小,应保证钳位二极管的
正向导通电流,使其起到
钳位作用。 其中:
VCC - VC1I
RC = —————— R
C
总之 V
CC - VC1IOPM ? —————
RC