脉冲基础知识和反相器.ppt

第 11 章　脉冲基础知识和反相器,本章学习目标,11.1　脉冲基础知识,11.2　晶体管开关特性,11.3　反相器,本章小结,本章学习目标,掌握脉冲的概念及矩形脉冲波的常用参数掌握 RC 微分电路和 RC 积分电路的组成形式、工作条件、工作原理及功能理解 RC 脉冲分压器的工作原理掌握二极管、三极管的开关特性，理解开关时间的概念了解加速电容的作用及其工作原理掌握晶体管反相器的工作原理和特性11.1　脉冲基础知识,11.1.1　脉冲的概念及其波形,11.1.2　矩形脉冲波,11.1.3　RC 微分电路和 RC 积分电路,11.1.4　RC 脉冲分压器,11.1.1　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，应用广泛脉冲：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2．常见的几种脉冲波形,11.1.2　矩形脉冲波,脉冲技术最常用的波形是矩形波、方波理想的矩形波上升沿、下降沿陡直；顶部平坦实际的矩形波波形1．矩形脉冲波的主要参数,(1)幅度 Vm ——脉冲电压变化的最大值2)上升时间 tr ——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 tf ——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 tp ——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,2．矩形波的分解,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表达式：,11.1.3　RC 微分电路和积分电路,一、RC 微分电路,1．电路组成,2．电路特点,输出信号取自 RC 电路中的电阻 R 两端即 vO = vR 时间常数  << tp，通常取  ≤ 0.2 tp3．工作原理,在 vI ＝ vM 期间，C 被充电, vO = vC 以指数规律缓慢上 升；在 vI ＝ 0 期间，C 放电， vO ＝ vC 以指数规律下降4．电路功能,将矩形波变换成尖峰波，检出电路的变化量二、RC 积分电路,1．电路组成,2．电路特点,(1)vO 取自 RC 电路的电容 C 两端即 vOvC ；(2)  tp，通常  ≥ 3tp3．工作原理,在 vI = vM 期间，C 被充电，vo = vC 以指数规律缓慢上升；在 vI = 0 期间，C 放电 vO = vC 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)将矩形脉冲波变换成近似三角波(或锯齿波)2)应用“积分延时”现象，把跳变电压“延缓”3)从宽窄不同的脉冲串中，把宽脉冲选出来[例 11.1.1]　 RC 路中，R = 20 k，C = 200 pF，若输入 f = 10 kHz 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 201032001012 s 4106 s 4 µs,(2)求方波的脉冲宽度,[例 11.1.2]　RC 电路中，若 C = 0.1 F，输入脉冲宽度 tp = 0.5 ms，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 ≥ 3tp,则,即 R≥15 k,所以 R 值至少为 15 k11.1.4　RC 脉冲分压器,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 C0 )，传输脉冲信号就会产生失真。

1．问题的提出,2．解决办法 —— 采用脉冲分压器,(1)电路,(2)特点：R1 两端并联一补偿电容 C1C1 最佳值：,(3)结论：C1 要适当：过小，欠补偿；过大，过补偿3．补偿电容 C1 对输出脉冲波形的影响,11.2　晶体管开关特性,11.2.1　二极管的开关特性,11.2.2　三极管的开关特性,11.2.3　加速电容的作用,11.2.1　二极管的开关特性,在脉冲电路中，二极管和三极管通常作为“开关”使用一、二极管的开关作用,1．正向偏置 I  0，VR – VD  VI，相当于开关闭合2．反向偏置时，I0，VR 0，相当于开关断开二、二极管的开关时间,1．反向恢复时间 tre：,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 tre = 5 ns；　　　2AK 系列锗二极管 tre = 150 ns,2．正向开通时间 ton：,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。

11.2.2　三极管的开关特性,一、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”；饱和时，相当于开关“闭合”动画　晶体管的开关作用,二、饱和状态的估算,定义：IBS ——基极临界饱和电流；　　 ICS ——集电极饱和电流，　　　ICS =  IBS； VCES ——集射极饱和管压降由电路得：,则　　　　　　　IBSICS/,若 IB IBS ， 饱和；若 0IB≤ IBS ，放大；若 IB≤0，截止三、三极管三种工作状态特点,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包括：,（1）开通时间 ton — 从三极管输入开通信号瞬间开始至 iC 上升到 0.9 ICS 所需的时间2）关闭时间 toff — 从三极管输入关闭信号瞬间开始至 iC 降低到 0.1 ICS 所需的时间2．减少三极管开关时间的办法：接加速电容11.2.3　加速电容的作用,1．原理,（1）vI 正跳变瞬间，CS 作短路，可提供一个很大的正向基极电流　iB，使 V 迅速进入饱和状态。

随着 CS的充电，iB 逐渐减小并趋于稳定(由vI、-vGB、及 R1、R2 决定)，此时 CS 相当于开路可见，由于 CS 的存在，加快了晶体管的开关速度2）vI 负跳变瞬间，vI 与发射极 e 相连， 反向加至发射结，由于CS 的放电作用，形成很大的反向基极电流，使 V 迅速截止11.3　反相器,11.3.1　晶体管反相器,11.3.2　MOS 反相器,11.3.1　晶体管反相器,-VGB ——基极电源(可省)；V ——开关三极管；Rk，Rb ——基极偏置电阻；Rc ——集电极负载电阻；+VG ——集电极电源工作原理：,当输入为低电平时，开关管 V 截止，输出为高电平；,当输入为高电平时，开关管 V 饱和，输出为低电平可见，输出信号与输入信号是反相的反相器,功 能：,11.3.2　MOS 反相器,一、简单的 MOS 反相器,V 为 N 沟道增强型场效晶体管，开启电压 VT4 V工作原理：,vI0 时，VGS  VT，V 截止，vOVDD 20 V，为高电平；,vI20 V 时，VGS  VT，V 导通，vOVDDiD RD0.2 V，为低电平。

功能：,,反相器,缺点：,为满足 vO 为低电平，当 vDD、iD 一定时，由 vO = vDD – iD RD，RD 大些好；但当 vO 恢复为高电平时，由于寄生电容 CL 的存在，充电时间常数  = RD CL 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,vI vGS > VT1 时， V1 导通，vO 为低电平； vI vGS < VT1 时，V1 截止，vO 为高电平；这时 V2 饱和导通，等效电阻 RDS 小， RDS CL 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,用 N 沟道和 P 沟道 MOS 管联合组成反相器特点：,(1)VN －N 沟道 MOS 管，作驱动管VP－P 沟道 MOS 管，作负载管2)栅极相连接输入，漏极相连接输出3)　VDD > |VPT| + VTN,工作原理：,vI = 0 (低电平)，VGS1 < VTN ，V1 截止；但 |VGS2| > |VTP|，V2 导通，vO 为高电平。

vI = 1 (高电平)，VGS1 > VTN ，V1 导通；,但 |VGS2| < |VTP|，V2 截止，vO 为低电平功能：,,反相器,优点：,无论输出高、低电平，均有一管导通，充放电时间常数  小，工作速度快；,V1、V2 必有一个截止，功耗低本章小结,微分电路与积分电路的比较,判断三极管工作状态的条件(NPN 管),几种反相器比较,学时分配,。