第10章脉冲基础知识和反相器教学重点
1.了解脉冲的基本概念与主要参数。
2.理解微分电路、积分电路、脉冲分压器的基本原理,掌握微、积分电路工作条件和作用。
3.了解二极管、三极管的开关特性及其应用。
4.理解反相器的工作原理。
教学难点
1.RC电路的过渡过程。
2.三极管开关作用。
3.MOS管反相器的工作原理。
学时分配
序号内容学时
110.1 脉冲基础知识3
210.2 晶体管开关特性1
310.3 反相器 1.5
4本章小结与习题0.5
5本章总学时6
10.1 脉冲基础知识
10.1.1脉冲的概念及其波形
1.脉冲的概念
脉冲技术是电子技术的重要组成部分,应用广
泛。
动画脉冲的概念
脉冲:含有瞬间突然变化、作用时间极短的电
压或电流称为脉冲信号,简称为脉冲。
图10.1.1 常见脉冲波形2.常见的几种脉冲波形如图10.1.1所示。
10.1.2 矩形脉冲波
1.矩形脉冲波的主要参数
脉冲技术最常用的波形是矩形波、方波。
理想的矩形波如图10.1.2所示:上升沿、下降沿陡直;顶部平坦。
图10.1.2 理想的矩形波波形 图10.1.3 实际的矩形波波形
实际的矩形波波形如图10.1.3所示。 主要参数:
(1) 幅度V m ——脉冲电压变化的最大值。 (2) 上升时间t r ——脉冲从幅度的10%处上升到幅度的90%处所需时间。
(3) 下降时间t f ——脉冲从幅度的90%处下降到幅度的10%处所需的时间。
(4) 脉冲宽度t p ——定义为前沿和后沿幅度为50%处的宽度。
(5) 脉冲周期T ——对周期性脉冲,相邻两脉冲波对应点间相隔的时间。周期的倒数为脉冲的频率
f ,即
T
f 1
=
2.矩形波的分解 如图10.1.4所示。
矩形波可由基波和多次谐波叠加而成。基波的频率与矩形波相同,谐波的频率为基波的整数倍。矩形波的数学表达式为
+++
=)5sin(5
)3sin(3)sin(000t A
t A t A v ωωω
10.1.3 RC 微分电路和积分电路
一、RC 电路的过渡过程
图10.1.4 三个不同频率的正弦波合成
1.RC电路:电阻R和电容器C构成的简单电路。是脉冲电路的基础。
2.特点:由于C两端电压不能突变,所以在充、放电时必须经历一个过渡过程。3.RC电路的充放电过程
动画RC 充放电
4.结论
(1) 充放电时电容两端电压、电流呈指数规律变化。
(2) 充放电的速度与时间常数有关,R C,单位为s。越大,充放电越慢;越小,充放电越快。
实验证明:
当t0.7时,充电电压为V G的一半;放电电压为电容器两端电压V C的一半;
当t(35)
时,充放电过程基本结束(如图
10.1.5所示)。
5.RC电路的主要应用:
波形变换。常用电路有微分电
路、积分电路。
二、RC微分电路
1.电路组成如图10.1.6所示。
2.电路特点
(1) 输出信号取自RC电路中的电阻R两端。即
v O v R;
(2) 时间常数t p,通常取
≤
5
1
t p;
3.工作原理
动画RC微分电路
4.电路功能
将矩形波变换成尖峰波,检出电路的变化量。如图10.1.7所示。
图10.1.7 微分电路波形图图10.1.8 RC积分电路
三、RC积分电路
1.电路组成如图10.1.8所示
(a)充电电压波形式(b)放电电压波形
图10.1.5 电容器充放电波形
图10.1.6 RC微分电路
2.电路特点
(1) v O 取自RC 电路的电容C 两端。即v O v C ;
(2)
t p ,通常≥3t p ;
3.工作原理
t ≥t 1,v I V m ,C 充电,v O v C 以指数规律缓慢(t p )上升;
t ≥t 2,v I 0,C 放电,v O
v C 以指数规律下降;
4.功能:将矩形波转换成锯齿波(三角波)。 5.应用
(1) 应用“积分延时”现象,把跳变电压“延缓”; (2) 从宽窄不同的脉冲串中,把宽脉冲选出来。 [例10.1.1] RC 电路中,R 20k ,C 200pF ,若输入f 10kHz
的连续方波,问此RC 电路是微分电路,还是一般阻容耦
合电路?
解 (1) 求电路时间常数
RC 20103
2001012
s
4
10
6
s
4μs
(2) 求方波的脉冲宽度
s 50s 105s 13
10212125
3p μ=?=??===
-f T t (3) 结论:因p 5
1t ≤τ,所以是微分电路。 [例10.1.2] RC 电路中,若C 0.1
F ,
输入脉冲宽度t p
0.5ms ,要构成积分电路,
电阻R 至少应为多少? 解 构成积分电路必须
RC ≥3t p
则 Ω=???=≥--k 1510
1.0105.03363p
C t R 即 R ≥15k 所以R 值至少为15k 。
10.1.4 RC 脉冲分压器
1.问题的提出
在低频放大器中,信号的衰减常用电阻分压器来实现;在脉冲电路中,若采用电阻分压器,由于存在分布电容和负载电容(统称寄生电容C 0),传输脉冲信号就会产生失真。如图10.1.11所示。
2.解决办法——采用脉冲分压器 (1) 电路如图10.1.12所示。
图10.1.12 脉冲分压器
图10.1.11 寄生电容C o 使
输出脉冲失真
(2) 特点:R 1两端并联一补偿电容C 1。C 1最佳值为
0121C R R
C
(3) 结论
C 1要适当:过小,欠补偿;过大,过补偿。补偿电容对输出波形的影响如图10.1.13所
示。
图10.1.13 补偿电容对输出脉冲波形的影响
10.2 晶体管开关特性
在脉冲电路中,二极管和三极管通常作为“开关”使用。
10.2.1 二极管的开关特性
一、二极管的开关作用
二极管的开关作用如图10.2.1所示。
(a )正偏时相当于开关闭合
(b)反偏时相当于开关断开 图10.2.1 二极管的开关特性
1.正向偏置时,I O I 0V V V V I R ≈-=≠,,相当于开关闭合。 2.反向偏置时,I 0,V R 0,相当于开关断开。
二、二极管的开关时间
二极管的开关时间如图10.2.2所示。
1.反向恢复时间t re ——二极管反偏时,从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止状态所需的时间。
例如2CK 系列硅二极管 t re
5ns 2AK 系列锗二极管 t re
150ns
2.正向开通时间t on ——二极管正偏时,从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通状态所需的时间。
实验证明二极管正向开通时间远小于反向恢复时间,通常因为它对二极管开关速度的影响很小,可以忽略不计。
所以,二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定。
10.2.2 三极管的开关特性
一、三极管开关作用
动画 三极管开关作用
结论:三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。
截止时,相当于开关“断开”;等效电路:如图10.2.3(a )所示。 饱和时,相当于开关“闭合”。等效电路:如图10.2.3(b )所示。
图10.2.3 三极管的开关作用
二.饱和状态的估算
1.电路如图10.2.4(a)所示。 2.定义
图10.2.2 二极管的开关时间
I BS ——基极临界饱和电流; I CS ——集电极饱和电流,I CS I BS ;
V CES ——集射极饱和管压降。
则 c
G
c
CES G CS R V R V V I ≈-=
β
CS
BS I I =
图10.2.4 三极管的开关工作状态
3.判断三极管状态的条件 若I B I BS ,饱和;
若0
I B ≤I BS ,放大;
若I B ≤0,截止。
三、三极管三种工作状态(见表10.2.1)
表10.2.1 三极管截止、放大、饱和工作状态特点
工作状态 截 止
放 大
饱 和
条 件
i B
β
CS
B 0I i <
<
β
CS
B I i ≥
工 作 特 点
偏置情况
发射结和集电结 均为反偏 发射结正偏 集电结反偏
发射结和集电结均正偏
集电极电流 i C 0 i C i B
c
G
CS C R V I i ≈
≤ 且不随i B 增加而增加
管压降 V CEO V G V CE V G
i C R c
V CES 0.3V(硅管) V CES 0.1V(锗管)
c 、e 间等效电阻
很大,约为数百千欧, 相当于开关断开
可变
很小,约为数百欧姆, 相当于开关闭合
四、三极管开关时间
1.开关时间:三极管在截止状态和饱
和状态之间转换所需的时间(如图10.2.5
所示)。包括:
(1) 开通时间t on ——从三极管输入
开通信号瞬间开始至i C上升到0.9I CS所需
的时间。
(2) 关闭时间t off ——从三极管输入关
闭信号瞬间开始至i C降低到0.1I CS所需的时
间。
2.减少三极管开关时间的办法:接加
速电容。
10.2.3加速电容的作用
1.电路
如图10.2.6所示,C S——加速电容。
2.原理
(1) v I 时,C S视作短路,可提供一个很大的正向基极电流i B,使V迅速进入饱和状态。随着C S的充电,i B逐渐减小并趋于稳定由v I、V GB、及R1、R2决定,此时C S相当于开路。
(2) v I 时,v I与发射极E相连, v CS反向加至发射结,由于C S的放电作用,形成很大的反向基极电流,
使V迅速截止。
可见,由于C S的存在,加快了晶体管的开关速度。
10.3 反相器
10.3.1晶体管反相器
1.电路 (图10.3.1)
V GB——基极电源(可省);
V——开关三极管;
R k,R b——基极偏置电阻;
R c——集电极负载电阻;
V G——集电极电源
2.工作原理图10.2.6加速电容的作用
图10.2.5 三极管开关电路的波形
图10.3.1 晶体管反相器
动画晶体管反相器
3.功能
v I v O
低电平高电平
高电平低电平
10.3.2 MOS反相器
一、简单的MOS反相器
1.电路如图10.3.2所示。
V为N沟道增强型场效应管,V T4V。
2.工作原理
v I0时,v GS v T,V截止,v O v DD20V,
为高电平;
v I20V时,v GS v T,V导通,
v O v DD i D R D0.2V,为低电平。
3.功能:反相器
v I v O
低高
高低
4.缺点
为满足v O为低电平,当V DD、I D一定时,由V O V D,I D R D,R D大些好;但当V O恢复为高电平时,由于寄生电容C L的存在,充电时间常数R D C L就很大,波形失真且影响工作速度。解决办法——采用MOS管作负载。
二、用MOS管作负载的MOS反相器
1.电路
V1————驱动管,作开关用,跨导较大;
V2————负载管,作负载用,始终工作在饱和
区,跨导较小。
2.工作原理
V I V GS >V T1时,V1导通,V O为低电平;
V I V GS 时V2饱和导通,等效电阻R DS小,R DS C L 小,提高了工作速度。 3.缺点:V2始终导通,功耗大,不利于集成,解决办法——CMOS反相器。 三、CMOS反相器 1.电路如图10.3.4所示。 用N沟道和P沟道MOS管联合组成反相器。图10.3.3 用场效应管作负载的反相器 反相器 图10.3.2 MOS反相器 图10.3.4 CMOS反相器