雙極型晶體管的開關(guān)特性及簡單門

1、第1節(jié) 雙極型晶體管的開關(guān)特性及簡 單門所有數(shù)字集成電路都是由晶體二極管、 晶體三極管和場效應(yīng)管組成的。它們大部 分工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)的“接通”和“斷開”，因此被稱為電子 開關(guān)。電子開關(guān)較機(jī)械開關(guān)具有速度高、可靠程度高、無抖動(dòng)、功耗低、體積小 等諸多優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)將討論雙極型晶體管的開關(guān)特性。、晶體二極管的開關(guān)特性在數(shù)字電路中，晶體二極管（以下簡稱二極管）常工作于開關(guān)狀態(tài)，在數(shù)字信號(hào) 作用下，它時(shí)而導(dǎo)通，時(shí)而截止，相當(dāng)于開關(guān)的“閉合”與“斷開”。研究二極 管的開關(guān)特性，就是要分析它在什幺條件下導(dǎo)通， 什幺條件下截止，既要分析其 靜態(tài)開關(guān)特性，也要分析它在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過

2、程，即分析其動(dòng)態(tài)開關(guān)特性。1 二極管靜態(tài)開關(guān)特性（1）二極管正向?qū)〞r(shí)的特點(diǎn)及導(dǎo)通條件以硅二極管為例，當(dāng)外加正向電壓使二極管承受一定的正向偏置時(shí)， 二極管正向 導(dǎo)通，其電壓、電流正方向如圖 2-2所示。圖2-3為二極管的伏一安特性曲線，它是二極管電流與兩端電壓的關(guān)系曲線圖2-3 二極管圖2-2二極管開關(guān)電路 伏一安特性曲線（未按比例畫出）當(dāng)二極管外加正向電壓>時(shí)，二極管導(dǎo)通，此后，隨著外加電壓增大，電流按指數(shù)規(guī)律變化。VON是二極管的門檻（閾值、開啟）電壓，硅管約為 0.5V，鍺管約為0.1V。> 時(shí)，特性趨于直線，VD基本不隨電流變化。VD稱為二極管的導(dǎo)通壓降，硅管約為 0.7V

3、，鍺管約為0.3V。在數(shù)字電路的分析 估算中，常將VD=0.7V視為硅二極管的導(dǎo)通條件。圖2-4二極管正向?qū)〞r(shí)的等效電路 效電路圖2-5二極管截止時(shí)的等圖2-4為二極管正向?qū)〞r(shí)的等效電路。當(dāng)外加正向電壓VIH(輸入信號(hào)高電平) 使硅二極管導(dǎo)通后，可近似認(rèn)為保持0.7V不變。因此，在數(shù)字信號(hào)作用下二極管正向?qū)〞r(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)具有 0.7V壓降的閉合的開關(guān)。(2) 二極管截止時(shí)的特點(diǎn)及截止條件當(dāng)外加電壓較小或者承受反向偏置時(shí)，二極管截止。由圖2-3所示的二極管伏一安特性曲線可見，當(dāng) v V時(shí)二極管截止，只有很小的反向漏電流流過二極管。硅管的反向漏電流v 1,鍺管的 v 20，<時(shí)，二極

4、管反向擊穿。是二極管的反向擊穿電壓。在數(shù)字電路的分析計(jì)算中，常將v視為硅二極管的截止條件。實(shí)際電路中，外加壓常使W0,以保證二極管可靠截止。圖2 - 5為二極管截止時(shí)的等效電路，當(dāng)外加數(shù)字信號(hào)為(輸入信號(hào)低電平，小于)時(shí)，二極管截止。此時(shí)，可認(rèn)為為0,二極管如同斷開的開關(guān)。2. 二極管動(dòng)態(tài)開管特性工作在開關(guān)狀態(tài)的二極管除了有導(dǎo)通和截止兩種穩(wěn)定狀態(tài)外，還要在導(dǎo)通和截止之間轉(zhuǎn)換，這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程稱為二極管動(dòng)態(tài)過程(或過渡過程)。當(dāng)輸入電壓波 形如圖2-6 (a)時(shí)，理想開關(guān)的輸出電流波形如圖 2-6 (b)所示。實(shí)際的輸出 波形如圖2-6 (c)所示。圖2-6二極管開關(guān)的過渡過程（a）輸入電壓波形；

5、（b）理想過渡過程；（c）實(shí)際過渡過程。由圖2-6可見，在 時(shí)刻，二極管從正向偏置突變?yōu)榉聪蚱茫?由于二極管存 在結(jié)電容且在導(dǎo)通后充電，因此二極管在由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變到截止的過程中， 在二極管 內(nèi)產(chǎn)生了很大的反向電流，二極管才進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。是二極管從導(dǎo)通到截止所需的時(shí)間，稱為反向恢復(fù)時(shí)間。小功率開關(guān)管的一般為納秒數(shù)量級(jí)。反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)二極管開關(guān)動(dòng)態(tài)特性有很大影響。若二極管兩端輸入電壓的頻率過高，以至輸入負(fù)電壓的持續(xù)時(shí)間小于它的反向恢復(fù)時(shí)間時(shí)，二極管將失去其單向?qū)щ娦浴．?dāng)然，二極管從截止到導(dǎo)通也是需要時(shí)間的， 這段時(shí)間稱為開通 時(shí)間 ，這段時(shí)間較短，一般可以忽略不計(jì)。所以二極管作為開關(guān)使用時(shí)與理 想開

6、關(guān)在靜特性和動(dòng)特性方面都是有一定差別的， 但一般可以近似將其視為理想 開關(guān)。3. 二極管的開關(guān)參數(shù)這里僅介紹二極管作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)的一些參數(shù)。（1） 反向恢復(fù)時(shí)間：指在規(guī)定負(fù)載、正向電流及最大反向瞬態(tài)電流下測出的反向恢復(fù)時(shí)間。例如，硅開關(guān)管 2CK15當(dāng)負(fù)載電阻為50 時(shí)，由正向電 流 =10變?yōu)樽畲蠓聪螂娏?10的10%寸，=5ns。（2）零偏壓電容：指二極管兩端電壓為零時(shí)，擴(kuò)散電容和結(jié)電容的容量之和。 例如2CK15的零偏壓電容小于5Pf。4. 二極管開關(guān)的應(yīng)用二極管開關(guān)的應(yīng)用范圍很廣，可以組成脈沖極性選擇電路、限幅電路和鉗位電路 等，分析電路是將其視為理想開關(guān)，即正向?qū)〞r(shí)忽略其正向壓降，

7、相當(dāng)于開關(guān) 短路接通，電阻為零；反向截止時(shí)忽略其反向漏電流，相當(dāng)開關(guān)斷開，電阻無窮 大。下面簡要介紹開關(guān)二極管的應(yīng)用。(1)脈沖極性選擇電路數(shù)字電路中，經(jīng)常需要單一方向變化的脈沖信號(hào)。這可以用圖2-7(a)所示的開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電路的輸入信號(hào)為圖 2-7(b)上圖所示的交流脈沖波時(shí)，利用開 關(guān)二極管的單向?qū)щ娦?，在輸出端即可得到正極性脈沖如圖2-7(b)下圖所示。若要選擇負(fù)極性脈沖，則把圖2-7(a)中的二極管反接即可實(shí)現(xiàn)。圖2-7脈沖極性選擇電路及波形(a)電路；(b)輸入信號(hào)、輸出正極性脈沖。(2)限幅電路數(shù)字電路所能處理的信號(hào)幅度有一定的要求， 例如為+5V。若輸入信號(hào)幅度過大， 可以利

8、用圖2-8(a)所示電路將其變換為所需的幅度。設(shè) VD1和VD2為理想二極 管，當(dāng)電路輸入如圖2-8(b)所示的電壓信號(hào) 一1山丄 V時(shí)，其輸出信號(hào)電壓的波形如圖2-8(b)所示。分析：當(dāng)'1 1時(shí)，VD1導(dǎo)通相當(dāng)于短路，VD2截止，輸出被限定為 5-一 =5V0當(dāng)V- V2時(shí)，VD2導(dǎo)通相當(dāng)于短路，VD1截止，輸出被限定為° w二二二'Vo當(dāng)1 V V 時(shí)， J 和 ，1均截止，輸出 =o限幅器又稱為削波器，如果用一只二極管則為單限限幅器，分為上限幅(只用 )和下限幅(只用 1 );若不加限幅電壓V1 (或V2)則為零電平限幅器，即將橫坐標(biāo)軸以上（或以下）的波形削去

9、。調(diào)節(jié)直流電壓V1和V2, 即可以改變輸出電壓幅度。（3）鉗位電路圖2-9（a）電路為頂部鉗位器，輸入信號(hào)電壓及其對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)電壓的波形如圖2-9（b）所示。鉗位器的組成特點(diǎn)是 RC >> T,即RC耦合電路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)周期 To21ithfth十FIT川5 r r 3 廣口L.*J*'ri*2fl1-<9一 JnL3圖2-8二極管限幅器圖2-9二極管鉗位器在時(shí)刻：假定電容C未充電，輸入信號(hào)的正跳變使二極管VD正向?qū)?電容端電壓不能突變，輸出即為二極管的正向壓降（約0.7V，由于二極管的正向?qū)娮韬苄?，其余電壓降落在信?hào)源內(nèi)阻上）。而后電容C充電，由于充電回路電阻較小，輸出電壓很快按指數(shù)規(guī)律下降至零，電容C左正右負(fù)充滿電；在時(shí)刻：輸入電壓由+1V下跳至-1V,電容端電壓不能突變，輸出電壓則由零下跳同樣幅度至-2V,二極管VD反偏而截止。而后電容 C通過電阻R放電，由于R比二極管VD導(dǎo)通時(shí)電阻大得多，輸出電壓變化較緩慢， 期間內(nèi)的絕對(duì)值略有下降；在時(shí)刻：輸入電壓有-1V上跳至+1V,電容端電壓不能突變，輸出電壓則由約-2V上跳同樣幅度，二極管 VD又正偏導(dǎo)通，重復(fù)時(shí)刻的過程， 期間內(nèi)電容放電損失的電