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数逻教案3-1.ppt

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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,,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。,,,,,,,,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。,通常硅二极管的Vth值取0.7V,锗二极管取0.3V。,,,,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。,,,,,,,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,,,,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)/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,,,,,,,3.二极管开关应用电路(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
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