晶体管的开关特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.1,晶体管的开关特性,晶体二极管开关特性,晶体三极管开关特性,S,R,V,图,3,-,1,-,1,理想开关,晶体二极管开关特性,理想开关的特性：,(1) 开关S断开时，通过开关的电流,i,=0，这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大。,(2) 开关S闭合时，开关两端的电压,v,=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。,(3) 开关S的接通或断开动作瞬间完成。,(4) 上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。,二极管稳态开关特性,当外加正向电压时，正向电流随电压的增加按指数规律增加。图中,V,th,称为正向,开启电压,或,门限电压,，也称为,阈值电压,。,i,D,v,D,V,th,I,S,O,图,3,-,1,-,2,二极管伏安特性,(a),二极管电路表示,(b),二极管伏安特性,i,D,v,D,稳态开关特性：,电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性。,二极管的伏安特性方程为：,i,D,v,D,O,i,D,v,D,V,th,O,图,3,-,1,-,2,二极管伏安特性,(c),理想,二极管开关特性,(d),二极管特性折线简化,当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化。当正向偏置时，二极管导通，压降为,V,th,值，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流，非常小，相当于开关断开。,结论：,在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一定差异。主要表现为，正向导通时，相当于开关闭合，但两端仍有电位降落；反向截止时，相当于开关断开，存在反向电流。此外，二极管的,V,th,和,I,S,都与温度有关。,通常硅二极管的,V,th,值取0.7V，锗二极管取0.3V。,二极管瞬态开关特性,电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性。具体的说，就是晶体管在大信号作用下，由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性。,理想二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，没有过渡过程。,D,R,v,I,图,3,-,1,-,3,理想二极管开关特性,v,D,i,D,(a),O,v,I,t,(b),O,v,D,t,O,i,D,t,V,F,V,R,V,R,I,F,图,3,-,1,-,4,二极管瞬态开关特性,O,v,I,t,O,v,D,t,O,i,D,t,V,F,V,R,t,1,t,2,t,1,t,2,I,F,I,R,t,s,t,f,t,rr,t,r,当,t,t,1,时，二极管导通，导通电压为,v,D,0.60.7V（以硅管为例），导通电流,i,D,=,I,F,=(,V,F,v,D,)/,R,V,F,/,R,。,当,t,=,t,1,时，,v,I,由,V,F,突变为,V,R,，由于存储电荷的存在，形成漂移电流，,i,D,=(,v,I,v,D,)/,R,V,R,/,R,，使存储电荷不断减少。从,v,I,负跳变开始至反向电流降到0.9,I,R,所需的时间，称为,存储时间,t,s,。在这段时间内，PN结维持正向偏置，反向电流,I,R,近似不变。,存储时间,图,3,-,1,-,4,二极管瞬态开关特性,O,v,I,t,O,v,D,t,O,i,D,t,V,F,V,R,t,1,t,2,t,1,t,2,I,F,I,R,t,s,t,f,t,rr,t,r,经过,t,s,时间后，反向电流使存储电荷继续消失，空间电荷区逐渐加宽，二极管转为截止状态。,反向电流由,I,R,减小至反向饱和电流值，这段时间称为,下降时间,t,f,。通常以从0.9,I,R,下降到0.1,I,R,所需时间确定,t,f,。,t,rr,=,t,s,+,t,f,称为,反向恢复时间,。,反向恢复时间是影响二极管开关速度的主要原因，是二极管开关特性的重要参数。,下降时间,反向恢复时间,图,3,-,1,-,4,二极管瞬态开关特性,O,v,I,t,O,v,D,t,O,i,D,t,V,F,V,R,t,1,t,2,t,1,t,2,I,F,I,R,t,s,t,f,t,rr,t,r,在,t,V,REF1,时，二极管导通，,v,O,v,I,；当,v,I,V,REF1,时，二极管截止，,v,O,=,V,REF1,。这样就将输入波形中瞬时电位低于,V,REF1,的部分抑制掉，而将高于,V,REF1,的部分波形传送到输出端，实现了下限限幅的功能。,演 示,D,1,R,2,V,REF2,v,I,(a),v,O,D,2,R,1,V,REF1,A,图,3,-,1,-,6,串联双向限幅器及其工作波形,(b),O,v,O,t,V,REF2,V,A,v,I,串联双向限幅器,（假设,V,REF1,V,REF2,）,v,I,=0时，,A,点电位为,v,I,V,A,时，D,1,截止，D,2,导通，,v,O,V,A,。实现下限限幅，限幅电平为,V,A,。,v,I,V,REF2,时，D,1,导通，D,2,截止，,v,O,V,REF2,。实现上限限幅，限幅电平为,V,REF2,。,当,V,A,v,I,r,D,(,r,D,为二极管导通电阻)，时间常数,1,=,r,D,C,T,2,(输入脉冲休止期)。,在,t,1,t,2,期间，在,v,I,由0正跳变至,V,m,时，由于电容两端电压不能突变，故,v,O,正跳变至,V,m,，二极管导通，电容很快充电至,V,m,，,v,O,很快下降到0。,D,R,图,3,-,1,-,9,钳位电路及工作波形,v,I,(a),(b),O,v,I,t,v,O,O,v,O,t,V,m,C,V,m,V,m,V,m,V,V,T,1,T,2,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,当,t,=,t,2,时，,v,I,由,V,m,负跳变至0，,v,O,则由0跳变至,V,m,。在,t,2,t,3,期间，二极管截止，电容通过电阻,R,放电，,v,O,缓慢上升。上升值为：,当,t,=,t,3,时，,v,I,由0正跳变至,V,m,，,v,O,从(,V,m,+,V,)值上跳至,V,。之后,t,3,t,4,期间二极管导通，,C,很快充电至,V,m,，,v,O,迅速下降至0V。此后电路工作情况周期性重复。,可见，输出波形的顶部被钳定在0V。,D,R,图,3,-,1,-,10,钳位电平为,V,REF,(,V,REF,),的钳位电路,v,I,(a),v,O,C,V,REF,D,R,v,I,(b),v,O,C,V,REF,R,C,v,I,v,O,V,CC,R,B,T,图,3,-,1,-,11,基本单管共射电路,如,图,3,-,1,-,11,所示基本单管共射电路。,传输特性是指电路的输出电压与输入电压的函数关系。,基本单管共射电路的传输特性曲线大体上分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。,图,3,-,1,-,12,单管共射电路传输特性,v,I,/V,v,O,/V,10,5,0,0.5,1,1.5,截止,放大,饱和,当,v,I,V,th,时，工作于截止区。,发射结和集电结均为反向偏置，即,v,B,v,E,，,v,B,V,th,而小于某一数值（图中约为1V）时，工作于放大区。,发射结正偏，集电结反偏，即,v,B,v,E,，,v,B,1,当,v,I,大于某一数值时，工作于饱和区。,发射结和集电结均为正偏，即,v,B,v,E,，,v,B,v,C,。且,i,B,满足：,i,B,I,BS,=(,V,CC,V,CE(sat),)/,R,C,此时，,v,O,=,V,CE(sat),0；,i,C,=(,V,CC,V,CE(sat),)/,R,C,V,CC,/,R,C,。晶体管C、E之间相当于开关闭合。,在饱和型开关电路中，稳态时，当,v,I,=,V,IL,时，晶体三极管稳定工作于截止状态；当,v,I,=,V,IH,时，晶体三极管稳定工作于饱和状态。,S,=,i,B,/,I,BS,称为,饱和系数,，,S,越大，饱和深度越深。,三极管瞬态开关特性,当,v,I,从,V,跳变,V,时，晶体管不能立即导通，要经历一段,延迟时间,t,d,和一个,上升时间,t,r,，,i,C,才能接近于最大值,I,CS,。,t,on,=,t,d,+,t,r,称为,开通时间,。,O,t,V,V,v,I,O,i,C,t,O,v,O,t,on,t,d,t,r,t,s,t,f,t,off,图,3,-,1,-,13,三极管的瞬态开关特性,t,I,CS,0.9,I,CS,0.1,I,CS,开通时间,O,t,V,V,v,I,O,i,C,t,O,v,O,t,on,t,d,t,r,t,s,t,f,t,off,图,3,-,1,-,13,三极管的瞬态开关特性,t,I,CS,0.9,I,CS,0.1,I,CS,关断时间,当,v,I,从,V,跳变,V,时，晶体管也不能立即截止，要经历一段,存储时间,t,s,和一个,下降时间,t,f,，,i,C,才逐渐下降到0。,t,off,=,t,s,+,t,f,称为,关断时间,。,(1) 晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程。,可分为,发射结由反偏至正偏,和,集电极电流形成,两个阶段。,1,2,3,4,5,x,=0,x,=,w,N,P,N,Q,BS,n,b,(,x,),p,c,(,x,),Q,CS,p,e,(,x,),图,3,-,1,-,14,晶体三极管基区少子 浓度分布曲线,发射结变为正偏，并逐渐形成集电极电流所需的时间，即为,延迟时间,t,d,，其长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。三极管结电容越小，,t,d,越短；三极管截止时反偏越大，,t,d,越长；正向驱动电流越大，,t,d,越短。,发射结正偏后，集电极电流,i,C,不断上升，达到0.9,I,CS,所需时间即为,上升时间,t,r,。,t,r,的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。基区宽度,w,越小，,t,r,也越小；基极驱动电流越大，,t,r,也越短。,(2) 晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。,可分为,驱散基区多余存储电荷,及,驱散基区存储电荷,两个阶段。,三极管稳定工作于饱和状态时，基区形成有多余存储电荷的累积,Q,BS,，当,v,I,负向跳变时，,Q,BS,全部消失所需时间即为,存储时间,t,s,。饱和度越深，,t,s,越长；基极反向驱动电流越大，,Q,BS,消失越快，,t,s,越短。,集电结两边多余存储电荷,Q,BS,和,Q,CS,全部消失后，集电结转向反偏，基极反向驱动电流使基区存储电荷,Q,B,开始消失，,i,C,逐渐减小至0.1,I,CS,所需时间即为,下降时间,t,f,。反向驱动电流越大，,t,f,越短。,R,C,V,BB,v,I,v,O,V,CC,R,1,T,C,V,L,R,1,R,2,R,2,V,BB,B,E,V,H,R,1,R,2,V,BB,B,E,V,BE(sat),i,B,i,1,i,2,(a),(b),(c),图,3,-,1,-,15,晶体三极管反相器,晶体三极管开关应用电路,利用晶体三极管作开关，最常用、最基本的电路是,反相器,电路。,当,v,I,=,V,L,时，可靠工作于截止状态；,v,I,=,V,H,时，可靠工作于饱和状态。,当,v,I,=,V,L,时，为保证可靠截止，要求,v,BE,0。,可见，增大,V,BB,，或增大,R,1,、减小,R,2,，对截止有利。三极管截止时，,v,O,=,V,H,=,V,CC,。,当,v,I,=,V,H,时，晶体三极管饱和，,v,O,=,V,L,=,V,CE(sat),0。增大,R,2,、减小,R,1,，对可靠饱和有利。,由此可见，,输出电压与输入电压反相,，故称反相器。,0,