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文檔簡介
探秘門電路:二極管與三極管的開關(guān)特性原理及應(yīng)用Exploringgatecircuits:switchingcharacteristicsofdiodesandtransistorsandtheirapplications探秘門電路:二極管與三極管的開關(guān)特性原理及應(yīng)用Exploringgatecircuits:switchingcharacteristicsofdiodesandtransistorsandtheirapplicationsTeacher:JiaLisi授課教師:賈麗斯門電路掌控信號的流通與阻斷
Gatecircuitscontroltheflowandblockingofsignals.二極管
Diodes三極管
Transistors門電路的基礎(chǔ)元件
Fundamentalcomponentsofgates探秘門電路:二極管與三極管的開關(guān)特性原理及應(yīng)用Exploringgatecircuits:switchingcharacteristicsofdiodesandtransistorsandtheirapplicationsPart01學(xué)習(xí)目標LearningObjectives能力培養(yǎng):Capacitybuilding:學(xué)習(xí)目標LearningObjectives知識掌握:Knowledgemastery:二極管、三極管開關(guān)特性原理。Principlesofswitchingcharacteristicsofdiodesandtransistors.分析二極管、三極管在簡單電路中的工作狀態(tài)。Analyzeworkingconditionsofdiodesandtransistorsinsimplecircuits.運用二極管、三極管實現(xiàn)基本邏輯功能。Usediodesandtransistorstoimplementbasiclogicalfunctions.素養(yǎng)提升:Literacyimprovement:認識相關(guān)知識的應(yīng)用價值。Recognizetheapplicationvalueofrelevantknowledge.培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與創(chuàng)新思維。cultivateascientificattitudeandinnovativethinking.Part02案例導(dǎo)入CaseIntroduction燈滅
Turnoff
案例導(dǎo)入CaseIntroduction電燈按鈕開關(guān)(按亮按滅)Lightswitch(turnonandturnoff)燈亮Turnon案例導(dǎo)入CaseIntroduction二極管
Diodes
三極管
Transistors
案例導(dǎo)入CaseIntroduction二極管
Diodes
三極管
Transistors
無需機械操作Nomechanicaloperationrequired
電子開關(guān)
Electronicswitches通過電信號控制Controlledbyelectricalsignals
例如,在計算機的數(shù)據(jù)存儲和處理電路中,就大量運用了二極管和三極管的開關(guān)特性來存儲和傳輸0、1數(shù)字信號。案例導(dǎo)入CaseIntroductionForexample,computerdatastorageandprocessingcircuitsmakeextensiveuseoftheswitchingcharacteristicsofdiodesandtransistorstostoreandtransmitdigitalsignals(0sand1s).二極管、三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodesandtransistors
門電路的基本概念
Basicconceptsofgatecircuits探秘門電路:二極管與三極管的開關(guān)特性原理及應(yīng)用Exploringgatecircuits:switchingcharacteristicsofdiodesandtransistorsandtheirapplicationsPart03二極管的開關(guān)特性SwitchingcharacteristicsofdiodesNP電極引線Electrodelead管殼Case結(jié)構(gòu)與開關(guān)原理Structureandprinc二極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodes負極
Negativeelectrode正極
Positiveelectrode結(jié)構(gòu):PN結(jié)Structure:PNjunctionP區(qū):陽極Pregion:anodeN區(qū):陰極Nregion:cathodePN結(jié)PNjunction導(dǎo)通Conduction正向電壓(P高、N低)>導(dǎo)通壓降(硅0.7V,鍺0.3V),電流從陽極→陰極,等效開關(guān)閉合;Forwardvoltage(Pishigh,andNislow)>conductionvoltagedrop(0.7Vforsilicon,0.3Vforgermanium),currentflowsfromanodetocathode,equivalenttoaclosedswitch;結(jié)構(gòu)與開關(guān)原理StructureandprincPN負極
Negativeelectrode正極
Positiveelectrode截止CutoffPN結(jié)PNjunction電極引線Electrodelead管殼Case反向電壓,無電流,等效開關(guān)斷開。Whenareversevoltageisapplied,nocurrentflows,equivalenttoanopenswitch.二極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodes等效電路Equivalentcircuit:二極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodes導(dǎo)通時:可等效為“一個具有導(dǎo)通壓降的閉合開關(guān)”,如硅二極管導(dǎo)通時等效為一個0.7V的電壓源與一個小電阻串聯(lián)。Whenconducting:itisequivalentto“aclosedswitchwithaconductionvoltagedrop”.Forexample,whenasilicondiodeisconducting,itisequivalenttoa0.7Vvoltagesourceconnectedinserieswithasmallresistor.截止時:等效為“斷開的開關(guān)”,電阻極大(通常視為無窮大),可近似認為“無電流通過”。Whenitiscutoff:itisequivalenttoanopenswitchwithaverylargeresistance(usuallyconsideredtobeinfinite),andcanbeapproximatedas"nocurrentflowing".PtypeNtype等效電路Equivalentcircuit:二極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodes導(dǎo)通時:可等效為“一個具有導(dǎo)通壓降的閉合開關(guān)”,如硅二極管導(dǎo)通時等效為一個0.7V的電壓源與一個小電阻串聯(lián)。Whenconducting:itisequivalentto“aclosedswitchwithaconductionvoltagedrop”.Forexample,whenasilicondiodeisconducting,itisequivalenttoa0.7Vvoltagesourceconnectedinserieswithasmallresistor.截止時:等效為“斷開的開關(guān)”,電阻極大(通常視為無窮大),可近似認為“無電流通過”。Whenitiscutoff:itisequivalenttoanopenswitchwithaverylargeresistance(usuallyconsideredtobeinfinite),andcanbeapproximatedas"nocurrentflowing".InternalelectricfieldPtyperegionSpacechargeregionNtyperegion等效電路Equivalentcircuit:二極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodes導(dǎo)通時:可等效為“一個具有導(dǎo)通壓降的閉合開關(guān)”,如硅二極管導(dǎo)通時等效為一個0.7V的電壓源與一個小電阻串聯(lián)。Whenconducting:itisequivalentto“aclosedswitchwithaconductionvoltagedrop”.Forexample,whenasilicondiodeisconducting,itisequivalenttoa0.7Vvoltagesourceconnectedinserieswithasmallresistor.截止時:等效為“斷開的開關(guān)”,電阻極大(通常視為無窮大),可近似認為“無電流通過”。Whenitiscutoff:itisequivalenttoanopenswitchwithaverylargeresistance(usuallyconsideredtobeinfinite),andcanbeapproximatedas"nocurrentflowing".開關(guān)時間Switchingtime二極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsofdiodes開通時間
Turn-ontime實際二極管的開關(guān)切換并非瞬時完成,存在兩個關(guān)鍵時間:Theactualswitchingofadiodeisnotinstantaneous.Therearetwocriticaltimes:從截止到導(dǎo)通的時間,通常極短,工程分析中可忽略。Thetimefromcutofftoconduction,whichisusuallyveryshortandcanbeignoredinengineeringanalysis.從導(dǎo)通到截止的時間,相對較長。Reverserecoverytime:Thetimefromconductiontocutoff,whichisrelativelylong.反向恢復(fù)時間
Reverserecoverytime注意:反向恢復(fù)時間會限制二極管的開關(guān)速度,在高頻數(shù)字電路(如射頻信號處理)中需重點考慮。Note:Reverserecoverytimelimitstheswitchingspeedofthediodeandisakeyconsiderationinhigh-frequencydigitalcircuits(suchasRFsignalprocessing).
PtypeNtypePart04三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors結(jié)構(gòu)與工作區(qū)域Structureandworkingarea三極管的開關(guān)特性SwitchingcharacteristicsoftransistorsCP+nPCEPNP型
PNPType
n-pnENPN型
NPNType
發(fā)射極(E)
Emitter
(E)基極(B)
Base
集電極(C)
Collector(C)基本結(jié)構(gòu)Basicstructure以NPN為例
TaketheNPNtypeasanexample兩個PN結(jié)(發(fā)射結(jié):B-E之間;集電結(jié):B-C之間)
TwoPNjunctions(Emitterjunction:betweenbaseandemitter;Collectorjunction:betweenbaseandcollector)NPNBaseb基級bCollectorc集電極cEmitterc發(fā)射極cCollectorregion集電區(qū)Collectorjunction集電結(jié)Baseregion基區(qū)Emitterjunction發(fā)射結(jié)Emitterregion發(fā)射區(qū)三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors△ic△ib放大區(qū)飽和區(qū)IB4IB3IB2IB4IB=0UCEUCE截止區(qū)截止區(qū)?:Cutoffregion:工作條件:OperatingConditions:發(fā)射結(jié)反偏(B電位<E電位)Emitterjunctionreversebiased(Bpotential<Epotential)集電結(jié)反偏(B電位<C電位)Collectorjunctionreversebiased(Bpotential<Cpotential)集電極電流Ic≈0,C-E之間電阻極大,相當(dāng)于“開關(guān)斷開”,輸出高電平。CollectorcurrentIc≈0,andtheresistancebetweenCandEisextremelylarge,equivalenttoa“openswitch“,resultinginahighoutputlevel.?特點CharacteristicsSaturationregionCutoffregionAmplificationregion三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors飽和區(qū)?:SaturationRegion:工作條件:OperatingConditions:發(fā)射結(jié)正偏(B電位>E電位,且電壓>0.7V)Emitterjunctionforwardbiased(Bpotential>Epotential,andvoltage>0.7V)集電結(jié)正偏(B電位>C電位)Collectorjunctionforwardbiased(Bpotential>Cpotential)C-E之間電壓極?。柡蛪航礥ces≈0.3V),電阻極小,相當(dāng)于“開關(guān)閉合”,輸出低電平。ThevoltagebetweenCandEisextremelysmall(saturationvoltagedropUces≈0.3V),andtheresistanceisextremelylow,equivalenttoa"closedswitch"withalowoutput.特點CharacteristicsSaturationregionCutoffregionAmplificationregion三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors電流關(guān)系與控制Currentrelationshipandcontrol公式
FormulaIe=Ib+Ic(發(fā)射極電流=基極電流+集電極電流)。(Emittercurrent=basecurrent+thecollectorcurrent)控制核心
Keyofcontrolling改變Ib,切換截止/飽和狀態(tài)。ChangeIbtoswitchesthecutoff/saturationstate.ceb+RIcIevIb△ic△ib放大區(qū)飽和區(qū)IB4IB3IB2IB4IB=0UCEUCE截止區(qū)三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors開關(guān)時間Switchingtime開啟時間(ton)
Turn-ontime截止→飽和的時間
timeofcutofftosaturation
關(guān)斷時間(toff)
Turn-offtime飽和→截止的時間
timeofsaturationtocutoff
SaturationregionCutoffregionAmplificationregion三極管的開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors開關(guān)時間Switchingtime開啟時間(ton)
Turn-ontime截止→飽和的時間
timeofcutofftosaturation
關(guān)斷時間(toff)
Turn-offtime飽和→截止的時間
timeofsaturationtocutoff
關(guān)斷時間通常大于開啟時間,且三極管飽和程度越深(Ib越大),存儲時間越長,關(guān)斷速度越慢,設(shè)計時需避免過度飽和。Theturn-offtimeisusuallylongerthantheturn-ontime,andthedeeperthetransistorsaturation(thelargerIb),thelongerthestoragetimeandtheslowertheturn-offspeed.Over-saturationshouldbeavoidedduringdesign.SaturationregionCutoffregionAmplificationregionPart05案例分析
CaseStudy
基于二極管與三極管的邏輯門
Logicgatesbasedondiodesandtransistors
電路結(jié)構(gòu)
Circuitstructure
二極管D1、D2的陽極分別接輸入信號A、B,陰極共同連接輸出端Y,輸出端通過電阻R接電源Vcc。TheanodesofdiodesD1andD2areconnectedtoinputsignalsAandBrespectively,andtheircathodesareconnectedtotheoutputterminalY.TheoutputterminalisconnectedtothepowersupplyVccthroughresistorR.案例分析CaseStudy二極管與門
DiodeANDGate
基于二極管與三極管的邏輯門
Logicgatesbasedondiodesandtransistors
案例分析CaseStudy二極管與門
DiodeANDGate
A、B均高電平→二極管截止,Y高電平;WhenbothAandBareathighlevel,bothdiodesareturnedoff,andYoutputsahighlevel.其余輸入→二極管導(dǎo)通,Y低電平(硅0.7V),實現(xiàn)“與”邏輯。Forallotherinputcombinations,oneofthediodesalwaysconducts,clampingYtoalowlevel(about0.7Vforasilicondiode),whichimplementsANDlogic.邏輯功能分析:
sLogicalfunctionanalysis:
結(jié)論:只有A、B均為高電平時,Y才為高電平,實現(xiàn)“與”邏輯(Y=A?B)
Conclusion:OnlywhenAandBarebothathighlevel,Yisathighlevel,realizingthe"AND"logic(Y=A?B)三極管構(gòu)成的“非門”電路
"NOTgate"circuitcomposedoftransistors
案例分析CaseStudy三極管非門
TransistorNOTGate
電路結(jié)構(gòu)
Circuitstructure
NPN型三極管的基極通過電阻Rb接輸入信號A,集電極通過電阻Rc接電源Vcc(5V),發(fā)射極接地(0V),輸出信號Y取自集電極(C極)。ThebaseoftheNPNtransistorisconnectedtotheinputsignalAthroughresistorRb,thecollectorisconnectedtothepowersupplyVcc(5V)throughresistorRc,theemitterisgrounded(0V),andtheoutputsignalYistakenfromthecollector(Cpole).三極管構(gòu)成的“非門”電路
"NOTgate"circuitcomposedoftransistors
案例分析CaseStudy三極管非門
TransistorNOTGate
A低電平→三極管截止,Y高電平;WhenAisatlowlevel,thetransistorisinthecut-offstateandYoutputsahighlevel;A高電平→三極管飽和,Y低電平,實現(xiàn)“非”邏輯。WhenAisatahighlevel,thetransistorisinsaturatedstate,andYoutputsalowlevel,completingthe"not"logicfunction.邏輯功能分析:
sLogicalfunctionanalysis:
結(jié)論:當(dāng)A為高電平時,三極管飽和導(dǎo)通,Y輸出低電平,完成"非"邏輯功能。
Conclusion:WhenAisathighlevel,thetransistorissaturatedandconductive,Youtputsalowlevel,completingthe"not"logicfunction.教學(xué)重點梳理
Keypointsofteaching二極管開關(guān)特性
Switchingcharacteristicsofdiodes正向?qū)?反向截止原理Principlesofforwardconductionandreversecutoff導(dǎo)通壓降、開關(guān)時間影響Effectsofconductionvoltagedropandswitchingtime.三極管開關(guān)特性Switchingcharacteristicsoftransistors截止區(qū)/飽和區(qū)工作狀態(tài)
workingconditionsinthecut-offregionandthesaturationregionIb對Ic的控制
ControleffectoftheIbonIc開關(guān)時間特點Characteristicsoftheswitchingtime
電路分析能力Circuitanalysiscapabilities:跟據(jù)元件連接、輸入信號,判斷工作狀態(tài),分析輸出。Judgetheworkingstatus,andanalyzetheoutputbasedontheconnectionandinputsignal.職業(yè)崗位應(yīng)用
Applicationofjobs
電路測試工程師
Circuittestengineer應(yīng)用場景:檢測數(shù)字電路故障(如邏輯門輸出異常、芯片功能失效)。
Applications:Detectingdigitalcircuitfaults(suchasabnormallogicgateoutputandchipmalfunction).工作內(nèi)容:依據(jù)二極管、三極管的開關(guān)特性原理,通過測量電壓、電流等參數(shù)來判斷元件是否正常工作。Responsibilities:Basedontheswitchingcharacteristicsofdiodesandtransistors,measureparameterssuchasvoltageandcurrenttodeterminewhethercomponentsarefunctioningproperly.職業(yè)崗位應(yīng)用
Applicationofjobs
集成電路設(shè)計工程師
Integratedcircuitdesignengineer應(yīng)用場景:設(shè)計數(shù)字芯片(如CPU、內(nèi)存、邏輯芯片)。
Applications:Designofdigitalchips(suchasCPUs,memory,andlogicchips).工作內(nèi)容:精確控制二極管和三極管的特性參數(shù),以提高芯片的性能和可靠性。
Responsibilities:Preciselycontrolthecharacteristicp
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