1、3.1晶體管的開關(guān)特性,3.1.1晶體二極管開關(guān)特性,3.1.2晶體三極管開關(guān)特性,3.1.1晶體二極管開關(guān)特性,理想開關(guān)的特性：,(1) 開關(guān)S斷開時，通過開關(guān)的電流i=0，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為無窮大。,(2) 開關(guān)S閉合時，開關(guān)兩端的電壓v=0，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為零。,(3) 開關(guān)S的接通或斷開動作瞬間完成。,(4) 上述開關(guān)特性不受其他因素（如溫度等）的影響。,二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性,當外加正向電壓時，正向電流隨電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增加。圖中Vth稱為正向開啟電壓或門限電壓，也稱為閾值電壓。,iD,vD,Vth,IS,O,圖3-1-2 二極管伏安特性,(a) 二極管電路表示

2、,(b) 二極管伏安特性,iD,vD,穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性：電路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。,二極管的伏安特性方程為：,iD,vD,O,iD,vD,Vth,O,圖3-1-2 二極管伏安特性,(c) 理想二極管開關(guān)特性,(d) 二極管特性折線簡化,當二極管作為開關(guān)使用時，可將其伏安特性折線化。當正向偏置時，二極管導(dǎo)通，壓降為Vth值，相當于開關(guān)閉合；當反向偏置時，二極管截止，流過的電流為反向飽和電流，非常小，相當于開關(guān)斷開。,結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r，相當于開關(guān)閉合，但兩端仍有電位降落；反向截止時，相當于開關(guān)斷開，存在反向電流。此外

3、，二極管的Vth和IS都與溫度有關(guān)。,通常硅二極管的Vth值取0.7V，鍺二極管取0.3V。,二極管瞬態(tài)開關(guān)特性 電路處于瞬變狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。具體的說，就是晶體管在大信號作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通時呈現(xiàn)的開關(guān)特性。 理想二極管作開關(guān)時，在外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都是在瞬間完成，沒有過渡過程。,D,R,vI,圖3-1-3 理想二極管開關(guān)特性,vD,iD,(a),O,vI,t,(b),O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,VR,IF,圖3-1-4 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性,O,vI,t,O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,t1,t2,t1,t2,IF

4、,IR,ts,tf,trr,tr,當tt1時，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓為vD0.60.7V（以硅管為例），導(dǎo)通電流iD=IF=(VFvD)/RVF/R。 當t=t1時，vI由VF突變?yōu)閂R，由于存儲電荷的存在，形成漂移電流，iD=(vIvD)/RVR/R，使存儲電荷不斷減少。從vI負跳變開始至反向電流降到0.9IR所需的時間，稱為存儲時間ts。在這段時間內(nèi)，PN結(jié)維持正向偏置，反向電流IR近似不變。,存儲時間,圖3-1-4 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性,O,vI,t,O,vD,t,O,iD,t,VF,VR,t1,t2,t1,t2,IF,IR,ts,tf,trr,tr,經(jīng)過ts時間后，反向電流使存儲電荷繼續(xù)消

5、失，空間電荷區(qū)逐漸加寬，二極管轉(zhuǎn)為截止狀態(tài)。 反向電流由IR減小至反向飽和電流值，這段時間稱為下降時間tf。通常以從0.9IR下降到0.1IR所需時間確定tf。trr= ts+ tf 稱為反向恢復(fù)時間。 反向恢復(fù)時間是影響二極管開關(guān)速度的主要原因，是二極管開關(guān)特性的重要參數(shù)。,下降時間,反向恢復(fù)時間,圖3-1-4 二極管瞬態(tài)開關(guān)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期間，二極管反向截止，vD=VR，iD=IS，空間電荷區(qū)很寬。 當t=t2時，vI由VR突變?yōu)閂F。由于二極管兩端電壓不能突變，電路中產(chǎn)生瞬

6、時大電流(VR+VF)/R，二極管迅速導(dǎo)通，iD由(VR+VF)/R迅速下降到iD=IF=VF/R。 從vI正向跳變到二極管正向?qū)ǚQ為二極管的正向恢復(fù)時間，通常用vD的上升時間tr來描述。與trr相比，正向恢復(fù)時間可忽略不計。,上升時間,D,R,VREF1,圖3-1-5 限幅電平為VREF1的串聯(lián) 下限限幅器及工作波形,vI,(a),(b),O,vI,t,vO,VREF1,O,vO,t,VREF1,二極管開關(guān)應(yīng)用電路 (1) 限幅電路 將輸入波形的一部分傳送到輸出端，而將其余部分抑制掉。常用的有串（并）聯(lián)上限、下限和雙向限幅器。,圖3-1-5中，當vIVREF1時，二極管導(dǎo)通，vOvI；當v

7、IVREF1時，二極管截止，vO=VREF1。這樣就將輸入波形中瞬時電位低于VREF1的部分抑制掉，而將高于VREF1的部分波形傳送到輸出端，實現(xiàn)了下限限幅的功能。,演 示,D1,R2,VREF2,vI,(a),vO,D2,R1,VREF1,A,圖3-1-6 串聯(lián)雙向限幅器及其工作波形,(b),O,vO,t,VREF2,VA,vI,串聯(lián)雙向限幅器（假設(shè)VREF1VREF2）,vI=0時，A點電位為,vIVA時，D1截止，D2導(dǎo)通，vOVA。實現(xiàn)下限限幅，限幅電平為VA 。,vIVREF2時，D1導(dǎo)通，D2截止，vOVREF2。實現(xiàn)上限限幅，限幅電平為VREF2。,當VAvIVREF2時， D1

8、、D2均導(dǎo)通，輸出vOvI。,D,R,VREF1,圖3-1-7 并聯(lián)下限限幅器 及其工作波形,vI,(a),(b),O,vI,t,vO,O,vO,t,VREF,并聯(lián)下限限幅器,演 示,D,R,圖3-1-9 鉗位電路及工作波形,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) 鉗位電路 將脈沖波形的頂部或底部鉗定在某一電平上。,圖3-1-9中，設(shè)電容C初始電壓為0，滿足R rD(rD為二極管導(dǎo)通電阻)，時間常數(shù)1= rDCT2(輸入脈沖休止期)。,在t1t2期間，在vI由0正跳變至Vm時，由于電容兩

9、端電壓不能突變，故vO正跳變至Vm，二極管導(dǎo)通，電容很快充電至Vm，vO很快下降到0。,D,R,圖3-1-9 鉗位電路及工作波形,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,當t = t2時，vI由Vm負跳變至0， vO則由0跳變至Vm。在t2t3期間，二極管截止，電容通過電阻R放電，vO緩慢上升。上升值為：,當t = t3時，vI由0正跳變至Vm， vO從(Vm+V)值上跳至V。之后t3t4期間二極管導(dǎo)通，C很快充電至Vm，vO迅速下降至0V。此后電路工作情況周期性重復(fù)。,可見，輸出波形的頂部被鉗

10、定在0V。,D,R,圖3-1-10 鉗位電平為VREF (VREF)的鉗位電路,vI,(a),vO,C,VREF,D,R,vI,(b),vO,C,VREF,若需要改變鉗位電平，可以在二極管D的支路中串接一個電源VREF。,3.1.2晶體三極管開關(guān)特性,在脈沖與數(shù)字電路中，在大幅度信號作用下，晶體管交替工作于截止區(qū)與飽和區(qū)，作為開關(guān)元件使用。,三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性,如圖3-1-11所示基本單管共射電路。,傳輸特性是指電路的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系?；締喂芄采潆娐返膫鬏斕匦郧€大體上分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。,圖3-1-12 單管共射電路傳輸特性,vI/V,vO/V,10,5,0,

11、0.5,1,1.5,截止,放大,飽和,當vIVth時，工作于截止區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置，即vBvE，vBvC。此時iB0， iC0，vOVCC。晶體管相當于開關(guān)斷開。,當vIVth而小于某一數(shù)值（圖中約為1V）時，工作于放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即vBvE，vB1,當vI大于某一數(shù)值時，工作于飽和區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏，即vBvE，vBvC。且iB滿足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此時，vO=VCE(sat)0； iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/ RC。晶體管C、E之間相當于開關(guān)閉合。,在飽和型開關(guān)電路中，穩(wěn)態(tài)時，當vI=VIL時，晶體三極管穩(wěn)定工

12、作于截止狀態(tài)；當vI=VIH時，晶體三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)。S=iB/IBS稱為飽和系數(shù)，S越大，飽和深度越深。,三極管瞬態(tài)開關(guān)特性,當vI從V跳變V時，晶體管不能立即導(dǎo)通，要經(jīng)歷一段延遲時間td和一個上升時間tr，iC才能接近于最大值ICS。ton= td+tr稱為開通時間。,0.9ICS,0.1ICS,開通時間,0.9ICS,0.1ICS,關(guān)斷時間,當vI從V跳變V時，晶體管也不能立即截止，要經(jīng)歷一段存儲時間ts和一個下降時間tf，iC才逐漸下降到0。toff= ts+tf稱為關(guān)斷時間。,(1) 晶體三極管由截止狀態(tài)過渡到飽和狀態(tài)的過程。,可分為發(fā)射結(jié)由反偏至正偏和集電極電流形成兩個階段

13、。,1,2,3,4,5,x=0,x=w,N,P,N,QBS,nb(x),pc(x),QCS,pe(x),圖3-1-14 晶體三極管基區(qū)少子 濃度分布曲線,發(fā)射結(jié)變?yōu)檎?，并逐漸形成集電極電流所需的時間，即為延遲時間td，其長短取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。三極管結(jié)電容越小， td越短；三極管截止時反偏越大，td越長；正向驅(qū)動電流越大，td越短。,發(fā)射結(jié)正偏后，集電極電流iC不斷上升，達到0.9ICS所需時間即為上升時間tr。,tr的大小也取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件?；鶇^(qū)寬度w越小，tr也越??；基極驅(qū)動電流越大，tr也越短。,(2) 晶體三極管由飽和狀態(tài)過渡到截止狀態(tài)的過程。,

14、可分為驅(qū)散基區(qū)多余存儲電荷及驅(qū)散基區(qū)存儲電荷兩個階段。,三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)時，基區(qū)形成有多余存儲電荷的累積QBS，當vI負向跳變時，QBS全部消失所需時間即為存儲時間ts。飽和度越深，ts越長；基極反向驅(qū)動電流越大，QBS消失越快，ts越短。,集電結(jié)兩邊多余存儲電荷QBS和QCS全部消失后，集電結(jié)轉(zhuǎn)向反偏，基極反向驅(qū)動電流使基區(qū)存儲電荷QB開始消失，iC逐漸減小至0.1ICS所需時間即為下降時間tf。反向驅(qū)動電流越大，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),圖3-1-15 晶體三極管反相器,