脉冲的基础知识和反相器课件

第第14章章 脉冲的基础知识和反相器脉冲的基础知识和反相器14.1 脉冲基础知识脉冲基础知识14.2 晶体管开关特性晶体管开关特性第14章 脉冲的基础知识和反相器14.1 脉冲基础知识11数字电路的基本概念数字电路的基本概念5V(V)0t(ms)102030 4050数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。一、模拟信号与数字信号一、模拟信号与数字信号模拟信号模拟信号时间连续数值也连续的信号。如速度、压时间连续数值也连续的信号。如速度、压力、温度等。力、温度等。数字信号数字信号在时间上和数值上均是离散的。如电子表在时间上和数值上均是离散的。如电子表的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。数字电路的基本概念5V(V)0t(ms)10203040502 有两种逻辑体制：有两种逻辑体制：正逻辑体制正逻辑体制规定：高电平为逻辑规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑，低电平为逻辑0。负逻辑体制负逻辑体制规定：低电平为逻辑规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑，高电平为逻辑0。下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：二、正逻辑与负逻辑二、正逻辑与负逻辑 数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑和逻辑0）。）。逻辑逻辑0 逻辑逻辑0 逻辑逻辑0 逻辑逻辑1 逻辑逻辑1 有两种逻辑体制：二、正逻辑与负逻辑 3脉冲是一种脉冲是一种跃变跃变信号信号,并且并且持续时间短暂持续时间短暂矩形波矩形波尖顶波尖顶波14.1 脉冲基础知识脉冲基础知识14.1.1 脉冲的概念及其波形脉冲的概念及其波形脉冲是一种跃变信号,并且持续时间短暂矩形波尖顶波14.1 4常见的脉冲波形常见的脉冲波形常见的脉冲波形514.1.2 矩形脉冲波矩形脉冲波脉冲幅度脉冲幅度信号变化的最大值信号变化的最大值0.9Um 0.1 Um tf脉冲上升沿脉冲上升沿tr0.5 Um tw脉冲下降沿脉冲下降沿脉冲宽度脉冲宽度14.1.2 矩形脉冲波脉冲幅度0.9Um 0.1 Um 6 图中所示为图中所示为三个周期相同三个周期相同（T T=20ms=20ms），但），但幅度、脉冲宽度幅度、脉冲宽度及占空比各不相及占空比各不相同的数字信号。同的数字信号。占空比占空比D：脉冲脉冲宽度与脉冲周期宽度与脉冲周期之比称为占空比，之比称为占空比，即即 。图中所示为三个周期相同（T=20ms），但幅714.1.3 RC微分电路和积分电路微分电路和积分电路1.RC电路的过渡过程电路的过渡过程（1）RC电路的充电过程 电容的充放电电路 电容器充电波形t/00.71235uC/V00.50.630.870.950.993电容充电时间表 14.1.3 RC微分电路和积分电路1.RC电路的过渡过8（2）电容的放电过程：电容器放电波形（2）电容的放电过程：电容器放电波形92.RC微分电路微分电路 微分电路及其波形微分电路及其波形 2.RC微分电路 微分电路及其波形 10微分电路的作用：微分电路的作用：是一种能够将输入矩形脉冲变换为正、负尖脉冲的波形变换电路。构成微风电路的条件：构成微风电路的条件：（1）电路应满足时间常数 远小于输入矩形脉冲宽度tw的条件，即=RCtw。（2）波形从电阻两端输出t的取值：微分电路是利用电容的快速充、放电将矩形脉冲变为正、负尖脉冲的，因此必须满足 tw的条件。但 的取值也不能过小，分析表明 的取值一般要求为 微分电路的作用：是一种能够将输入矩形脉冲变换为正、负尖脉冲的113.RC积分电路积分电路积分电路及输入、输出波形积分电路及输入、输出波形 积分电路是一种常用的波形变换电路，它可以把矩形脉冲变换成三角波。3.RC积分电路积分电路及输入、输出波形 积分电路是一种常12积分电路的组成条件积分电路的组成条件（1）电路的时间常数 远远大于输入脉冲宽度tw，即=RC tw。（2）信号从电容两端输出 的取值的取值：积分电路是利用电容的充、放电将矩形脉冲变为三角波的的，因此必须满足 tw的条件。但 的取值也不能过大，分析表明 的取值一般要求为（35）tw积分电路的组成条件（1）电路的时间常数 远远大于输入脉冲宽1314.1.4 脉冲分压器脉冲分压器脉冲分压器 在脉冲电路中，经常要把脉冲信号经过电阻分压送到下一级，由于电路中存在各种形式的电容，有的是下级电路中所固有的，有的是接线电容或寄生电容。这样，在负载上好像并联了一个电容Co，如图14.9所示。为了克服Co对脉冲分压器输出波形的影响，常在R1两端并联C1，要使输出电压不失真，必须使R1C1R2Co补偿电容C1对输出脉冲波形的影响14.1.4 脉冲分压器脉冲分压器 在脉冲电路14 14.2 晶体管开关特性晶体管开关特性(1)(1)加正向电压加正向电压U UF F时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降U UD D可忽略。二极可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。管相当于一个闭合的开关。14.2.1 晶体二极管的开关特性及其应用晶体二极管的开关特性及其应用1.二极管的开关特性二极管的开关特性VRLFFUIFKFRULI 14.2 晶体管开关特性(1)加正向电压UF时，二15 可可见见，二二极极管管在在电电路路中中表表现现为为一一个个受受外外加加电电压压ui控控制制的的开开关关。当当外外加加电电压压ui为为一一脉脉冲冲信信号号时时，二二极极管管将将随随着着脉脉冲冲电电压压的的变变化化在在“开开”态态与与“关关”态态之之间间转转换换。这这个个转转换换过过程程就就是二极管开关的是二极管开关的动态特性动态特性。(2)(2)加反向电压加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。二可忽略。二极管相当于一个断开的开关。极管相当于一个断开的开关。DLRURSILKURR 16 二极管在状态转换时需要一定的时间，即开关时间。二极管的开关时间主要决定于二极管从导通到截止的时间，即反向恢复时间。测试表明，一般二极管的反向恢复时间在纳秒（ns）数量级（1ns=109s）。例如，2CK系列硅开关二极管的开关时间为5ns，2AK系列锗开关二极管的开关时间是150ns。二极管在状态转换时需要一定的时间，即开关时间。二172.二极管限幅器二极管限幅器（1）串联限幅器）串联限幅器（2）并联限幅器2.二极管限幅器（1）串联限幅器（2）并联限幅器1814.2.2 晶体三极管的开关特性及其应用晶体三极管的开关特性及其应用1.晶体三极管的开关特性 （1 1）截止状态：）截止状态：当当u uI I小于三极管发射结死区电压时，小于三极管发射结死区电压时，I IB BI ICBOCBO00，I IC CI ICEOCEO00，u uCECEV VCCCC，三极管工作在截止区，对应图中的，三极管工作在截止区，对应图中的A A点。点。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压+V+T123BiRebiuCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAuICCB414.2.2 晶体三极管的开关特性及其应用1.晶体三极管19 此此时时，若若调调节节R Rb b，则则I IB B，I IC C，u uCECE，工工作作点点沿沿着着负负载载线线由由A A点点BB点点CC点点DD点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为其特点为I IC CIIB B。三极管工作在放大状态的条件为：三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 （2 2）放大状态：）放大状态：当当u uI I为正值且大于死区电压时，三极管导通。有为正值且大于死区电压时，三极管导通。有+V+T123BiRebiuICCRCbCcCEuVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVAuCEICCB4 此时，若调节Rb，则IB，IC，uCE，工作20 再再减减小小R Rb b，I IB B会会继继续续增增加加，但但I IC C不不会会再再增增加加，三三极极管管进进入入饱饱和和状状态态。饱和时的饱和时的u uCECE电压称为饱和压降电压称为饱和压降u uCESCES，其典型值为：，其典型值为：U UCESCES0.3V0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：三极管工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBS BS 电压条件为：集电结和发射结均正偏电压条件为：集电结和发射结均正偏 （3 3）饱饱和和状状态态：u uI I不不变变，继继续续减减小小R Rb b，当当u uCECE 0.7V0.7V时时，集集电电结结变变为为零零偏偏，称称为为临临界界饱饱和和状状态态，对对应应E E点点。此此时时的的集集电电极极电电流流用用I ICSCS表表示示，基基极极电流用电流用I IBSBS表示，有表示，有:+V+T123BiRebiuICCRCbCcCEuVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAuICCB4 再减小Rb，IB会继续增加，但IC不会再增加，三极21工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和条条 件件工工作作特特点点偏值情况偏值情况集电极电集电极电流流管压降管压降近似的等近似的等效电路效电路C、E间等间等效电阻效电阻 三种工作状态比较三种工作状态比较发射结电压发射结电压死区电压死区电压发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏发射结正偏发射结正偏集电结正偏集电结正偏很大很大相当开关断开相当开关断开可变可变很小很小相当开关闭合相当开关闭合bce0.7VIBIC IB工作状态截 止放 大饱 和条 件偏值情况集电极电流管22解：解：根据饱和条件根据饱和条件IBIBS解题。解题。例例1.4.1 电路及参数如图所示，设输入电压电路及参数如图所示，设输入电压UI=3V，三极管的，三极管的UBE=0.7V。（1 1）若）若6060，试判断判断三极管三极管是否是否饱和，并求出和，并求出IC和和UO的值的值。（2）将）将RC改为改为6.8kW W，重复以上计算。，重复以上计算。IBIBS 三极管饱和。三极管饱和。IB不变，仍为不变，仍为0.023mA IBIBS 三极管处在放大状态。三极管处在放大状态。+VT123100kRCCRUbIVCC=+12VUCO10k解：根据饱和条件IBIBS解题。例1.4.1 电路及参23（3）将）将RC改为改为6.8kW W，再将，再将Rb改为改为60kW W，重复以上计算。，重复以上计算。由由此此可可见见，Rb、RC、等等参参数数都都能决定三极管是否饱和。能决定三极管是否饱和。即即在在VI一定（要保证发射结正偏）和一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，一定的条件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，三极管越容易饱和。越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。IBS0.029 mAIBIBS 三极管饱和。三极管饱和。饱和条件可写为：饱和条件可写为：+VT123100kRCCRUbI=12VUOC=10k（3）将RC改为6.8kW，再将Rb改为60kW，重复以上计24三极管的动态特性三极管的动态特性（1）延迟时间延迟时间td从从vi正跳变正跳变的瞬间开始，到的瞬间开始，到iC上升到上升到 0.1ICS所需的时间所需的时间（2）上升时间上升时间triC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需的时间。所需的时间。（3）存储时间存储时间ts从从vi下跳变下跳变的瞬间开始，到的瞬间开始，到iC下降到下降到0.9ICS所需的时间。所需的时间。（4）下降时间下降时间tfC从从0.9ICS下下降到降到0.1ICS所需的时间。所需的时间。开通时间开通时间ton=td+tr关断时间关断时间toff=ts+tf三极管的动态特性（1）延迟时间td从vi正跳变的瞬间开始252.利用加速电容减小开关时间利用加速电容减小开关时间为了提高开关速度，应设法减小开关时间，除选用开关时间短的三极管开关外，还可以在电路上采取措施提高开关速度。加速电容的作用2.利用加速电容减小开关时间为了提高开关速度，应设法减小开2614.2.3 晶体管反相器晶体管反相器 反相器是脉冲电路中一种最基本而又常用的电路，是组成其他脉冲单元电路的基础。反相器电路及波形 反相器的功能是低电平输入，高电平输出；高电平输入，低电平输出。输出和输入波形的相位相反，所以，电路称为反相器。14.2.3 晶体管反相器 反相器是脉冲电路中一种最27 本章小结本章小结（1）瞬间突然变化且作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号，简称脉冲。脉冲波有多种形状，最常见的是矩形波。它的主要参数有幅度、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度、脉冲周期和频率。矩形波含有众多的谐波成分，所以又称为多谐波。（2）RC电路是脉冲电路的基础，利用RC电路过渡过程的规律可以对脉冲波进行变形。RC微分电路（tw,uO从R两端输出），当输入矩形脉冲时，输出为正、负尖脉冲；RC积分电路（tw,uO从C两端输出），当输入矩形脉冲时，输出近似三角波形。（3）为避免脉冲分压器输出端寄生电容引起脉冲波形的失真，应在脉冲分压器电路中加入补偿电容器（有时又称为加速电容）。本章小结（1）瞬间突然变化且作用时间极短的电压或电流称为28（4）晶体二极管作为开关器件时，它的开通时间（由截止状态转为导通状态的时间）比反向恢复时间（由导通状态转向截止状态的时间）要短得多，因而二极管开关速度主要取决于反向恢复时间。（5）晶体三极管作为开关器件，有开通时间（由截止状态转向饱和状态的时间）和关闭时间（由饱和状态转为截止状态的时间），它们限制了三极管的开关速度。为了提高三极管和开关速度，可采用连接加速电容的办法。（6）反相器是脉冲数字电路的基础。它有普通晶体管反相器和MOS反相器两大类。（4）晶体二极管作为开关器件时，它的开通时间（由截止状态转为29