晶體三極管開(kāi)關(guān)特性.ppt

二極管開(kāi)關(guān)的通斷是受兩端電壓極性控制。,三極管開(kāi)關(guān)的通斷是受基極 b 控制。,1、三極管的三種工作區(qū)域,三、晶體三極管開(kāi)關(guān)特性,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的 數(shù)值較小，一般vCE0.7 V(硅管)。此時(shí) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線(xiàn)的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域， 曲線(xiàn)基本平行等距。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集 電結(jié)反偏，電壓大于 0.7 V左右(硅管) 。,1、三極管的三種工作區(qū)域,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),三極管工作在放大區(qū)。,三極管放大條件：,放大特點(diǎn)：,基極電流IB對(duì)集電極電流IC有很強(qiáng)的控制作用,IC=IB。從特性曲線(xiàn)上可以看出，在相同的VCE條件下，IB有很小的變化量IB，IC就有很大的變化量IC。,2、三極管的三種工作狀態(tài),、放大狀態(tài),三極管有放大能力，i c i b,三極管工作在飽和區(qū)。,飽和區(qū)VCE比較小，也就是IC受VCE顯著控制區(qū)。即將輸出曲線(xiàn)直線(xiàn)上升和彎曲部分劃為飽和區(qū)。,三極管飽和條件：,基極電位高于發(fā)射級(jí)、集電極電位。,2、三極管的三種工作狀態(tài),、飽和狀態(tài),i b IBS,三極管飽和特點(diǎn)：,當(dāng)VCE減少到一定程度后，集電結(jié)收集載流子的能力減弱，造成發(fā)射結(jié)“發(fā)射有余，集電結(jié)收集不足”，集電極電流IC不再服從IC=IB的規(guī)律。,三極管飽和時(shí)的等效電路：,2、三極管的三種工作狀態(tài),硅管 0.7V,鍺管 0.3V,硅管 0.3V,鍺管 0.1V,不考慮管壓降時(shí)的等效電路,等效于開(kāi)關(guān)閉合,三極管工作在截止區(qū)，IB=0曲線(xiàn)以下。,發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏。,VBE0,VBC0,三極管相當(dāng)于開(kāi)路,三極管截止等效電路：,所以可以利用三極管飽和、截止?fàn)顟B(tài)作開(kāi)關(guān)。,三極管截止條件：,2、三極管的三種工作狀態(tài),、截止?fàn)顟B(tài),等效于開(kāi)關(guān)斷開(kāi),三極管PN結(jié)四種偏置方式組合,根據(jù)VCC和RC值，在輸出特性曲線(xiàn)上畫(huà)一條負(fù)載線(xiàn)。,當(dāng)Vi 0 時(shí)：,三極管截止，工作在特性曲線(xiàn)A點(diǎn)。,當(dāng) i b60A時(shí),i C = i b =50X60=3mA,T 臨界飽和,當(dāng)i b60A時(shí),i C 幾乎不變。三極管進(jìn)入飽和區(qū)。,臨界飽和時(shí)基極電流：,飽和時(shí)集電極電流：,例：共發(fā)射極電路,首先求出基極電流,然后求出臨界飽和時(shí)基極電流：,三極管工作在飽和狀態(tài)，大的越多，飽和的越深。,三極管工作在放大狀態(tài),三極管工作在截止?fàn)顟B(tài),如何判斷三極管工作狀態(tài),理想情況下：（飽和、截止動(dòng)作瞬時(shí)完成）,三極管開(kāi)關(guān)和二極管開(kāi)關(guān)一樣，都存在開(kāi)關(guān)惰性。三極管在作開(kāi)關(guān)運(yùn)用時(shí)，三極管飽和及截止兩種狀態(tài)不是瞬時(shí)完成。因?yàn)槿龢O管內(nèi)部存在著電荷建立和消散過(guò)程。,Vi = Vb2時(shí)：T 飽和,Vi = Vb1時(shí)：T 截止,2、三極管開(kāi)關(guān)惰性,Vi = - Vb1 時(shí)：T 截止 i b 0 i c 0,實(shí)際情況下：,輸入由Vb2上跳到Vb1,T由止放大飽和。,輸入由Vb2下跳到-Vb1,由飽和放大止。,需要經(jīng)歷四個(gè)時(shí)間：,延遲時(shí)間: i c 由0上升到0.1 i c max,上升時(shí)間: i c 由0.1 i c max上升到0.9 i c max,存儲(chǔ)時(shí)間: i c 由 I c max下降到0.9 i c max,下降時(shí)間:i c 由0.9 i c max下降到0.1 i c max,T由截止導(dǎo)通需要的時(shí)間：tON =td+tr,T由導(dǎo)通截止需要的時(shí)間：tOff=ts+tf,三極管開(kāi)關(guān)惰性,用基區(qū)電荷分布圖說(shuō)明,當(dāng)輸入,發(fā)射結(jié)由：反偏正偏所需時(shí)間 td,正向偏壓,基極驅(qū)動(dòng)電流,發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)電子數(shù),集電極收集的電子數(shù),由小到大變化,當(dāng)基區(qū)的電子濃度增加到 4 時(shí)：,發(fā)射結(jié)正偏后：,集電極電流達(dá)到臨界飽和：ICS,基區(qū)中電子積累所需時(shí)間：t r,三極管由截止進(jìn)入飽和過(guò)程：,電子濃度,開(kāi)關(guān)惰性形成的原因：,臨飽,放大,正偏,IBIBS 時(shí)，發(fā)射結(jié)發(fā)射有余，集電極收集不足。過(guò)剩電子在基區(qū)積累，如 45。這段時(shí)間就是存儲(chǔ)時(shí)間 t s,當(dāng)i b繼續(xù)增加：,電子濃度,分析輸入信號(hào)由：,希望基極驅(qū)動(dòng)電流i b 1很大，加速三極管由截止向飽和轉(zhuǎn)變，縮短上升時(shí)間t r ，減少延遲時(shí)間，提高工作速度。,雖然i b1增加帶來(lái)td、 t r 減小。同時(shí)也會(huì)使 t s 增加。要求驅(qū)動(dòng)電流不是常數(shù)，而是前大后小，前大加速建立，后小不過(guò)分飽和。,開(kāi)關(guān)惰性形成的原因：,正偏,放大,臨飽,深飽,電子濃度,當(dāng)輸入,三極管由飽和進(jìn)入截止過(guò)程：,由于基區(qū)電子不能立即消失，T 仍然飽和，其轉(zhuǎn)變過(guò)程是：隨正偏壓的減小，基區(qū)存儲(chǔ)的電子逐漸減小。54區(qū)間中電子積累從深飽和淺飽和臨界飽和放大截止。,分析輸入信號(hào)由：,希望基極驅(qū)散電流i b 2很大,加速三極管由飽和向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變。,同樣i b2增加帶來(lái)t f 減小。同時(shí)也會(huì)使 t d 增加。即：三極管截止時(shí)，反偏電壓越大，轉(zhuǎn)向正偏時(shí)間越長(zhǎng)。因此，要求驅(qū)動(dòng)電流也不是常數(shù)，而是前大后小，前大快速驅(qū)散，后小不過(guò)分截止。,開(kāi)關(guān)惰性形成的原因：,深飽,臨飽,放大,正偏,結(jié)論：,把三極管由截止飽和的基極電流i b1叫做正向驅(qū)動(dòng)電流。,把三極管由飽和截止的基極電流i b2叫做反向驅(qū)散電流。,這樣一個(gè)前大后小的基極驅(qū)動(dòng)電流很難選取。但可以利用電容C上的電壓不能突變的特性，近似實(shí)現(xiàn)。這個(gè)電容叫做加速電容。,開(kāi)關(guān)惰性形成的原因：,R1、R2、外加負(fù)偏壓VBB及Vi 共同決定三極管工作狀態(tài)，保證三極管在開(kāi)關(guān)方波的作用下可靠工作于飽和、截止兩種狀態(tài)。,那么如何保證三極管可靠工作？就依靠合理選擇基極偏置電阻來(lái)保證。（設(shè)計(jì)問(wèn)題）,當(dāng)Vi = 0 時(shí)：,希望T截止先假設(shè)T止再看是否止,畫(huà)截止等效電路, - 1V,三極管截止條件：V be0,令：V be1V T 可靠截止,當(dāng)V i = E 時(shí)：,希望T飽和，先假設(shè)T飽和再判是否飽和,畫(huà)飽和等效電路,三極管截止條件：i b IBS,四、晶體三極管反相器,1、反相器工作原理及設(shè)計(jì)方法：,即：,三極管一定飽和。,元件選擇：,T: 先選擇開(kāi)關(guān)管，再根據(jù)手冊(cè)給出ICM確定RC。,VCC、VBB 根據(jù)工作條件確定。,C1根據(jù)開(kāi)關(guān)管截至頻率確定。,反相器的優(yōu)點(diǎn)：,輸出振幅比較大，飽和時(shí) VO 0 。 截止時(shí)，VO VCC 。,三極管飽和時(shí)，V c e s = 0.3V 所以功耗小。,對(duì)的一致性要求底，只要滿(mǎn)足,晶體三極管反相器,反相器的基本功能是將輸入信號(hào)反相輸出，輸出信號(hào)應(yīng)保持與輸入信號(hào)形狀一致，但由于三極管本身存在：開(kāi)關(guān)時(shí)間、分布電容及寄生電容的影響，使輸出波形產(chǎn)生一定畸變，只能采取措施，使這種畸變盡可能減小至容許范圍之內(nèi)。,常用方法：,采用加速電容，增加鉗位二極管。,VCL:鉗位電壓， VCL VCC,DCL：鉗位二極管。,CO :輸出端分布電容及負(fù)載電容之和。,當(dāng)：Vi = VIL,T 止，DCL導(dǎo)，VO=VCL,VCC以RCCO向CO充電,負(fù)載變化，穩(wěn)定輸出。,當(dāng)：Vi = VIH,T飽和，CO 放電,= r CES CO,由于RC r CES CO 快速放電。,DCL對(duì)下降沿影響小。,當(dāng)：Vi 從,T由飽和變?yōu)榻刂?，由于電容上的電壓不能突變，又以大時(shí)常數(shù)RCO充電，充電速度比較慢。當(dāng)充至VOVCL,DCL導(dǎo)通。VO被鉗位于VCL,2、提高反相器開(kāi)關(guān)速度的方法：,VCL,VCC,R1,R2,-VBB,RC,反相器負(fù)載有兩種情況：,流進(jìn)反相器的電流叫灌流負(fù)載。記做 i OI,流出反相器的電流叫拉流負(fù)載。記做 i op,如何衡量反相器帶負(fù)載能力？,反相器在正常工作條件下：,飽和狀態(tài)：VO = 0.3V,反相器所允許最大灌電流IOCM是多少？,截止?fàn)顟B(tài)：VO = V CL，反相器所允許最大拉電流IOPM是多少？,3、反相器帶負(fù)載的能力,三極管飽和時(shí)：,VO= V c e s=0.3V, D CL 止，i DCL =0,流入集電極電流：,IBS,i C = i RC + i OI,由飽和條件 i B IBS 知：,IBS：增加使三極管飽和深度減少，有可能引起三極管退出飽和。,所以：灌電流的增加，不應(yīng)破壞三極管的飽和條件。即：,i C IC / ,i RC + i OI i B,i C = i B,分飽和、截止兩種狀態(tài)討論。,(1)、反相器帶灌流負(fù)載的能力,、三極管飽和時(shí)帶灌流負(fù)載的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三極管截至?xí)r：,i C = 0 DCL 導(dǎo)通 VO = VCL,流入鉗位二極管電流：i DCL = i RC + i OI,灌電流的增加不可能燒壞鉗位二極管。,三極管飽和時(shí)所允許的最大灌電流：,= ICM VCC / RC,I0IM i B i RC,、三極管截至?xí)r帶灌流負(fù)載的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三極管飽和時(shí)：,DCL 止,i DCL= 0,拉電流：i OP = i RC i C,由飽和條件 i B IBS 知：,i op的增加引起i C 的減少， i C 的減少又引起 i B 的減少。三極管的飽和深度加深。所以拉電流的增加，不破壞三極管的飽和狀態(tài) i op的增加，最大將 i C 拉到0 。,所以：最大拉電流：IOPM i RC-0 = VCC / RC,仍然分飽和、截止兩種狀態(tài)討論。,(2)、反相器帶拉流負(fù)載的能力。,、三極管飽和時(shí)帶拉流負(fù)載的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三極管截至?xí)r：,DCL 導(dǎo)通,i C = 0,VO = VCL,i RC = i DCL + i OP,拉電流i OP增加到一定程度使i DCL 減小到 0,D 失去鉗位作用。,因此三極管截至?xí)r，最大拉電流以鉗位二極管不失去鉗位作用為原則。,IOPM i RCVCC-VCL / RC,即： i DCL 不能為0,、三極管截至?xí)r帶拉流負(fù)載的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,1、 當(dāng)30,T能否可靠飽和或截止？,2、 在輸入為高電平時(shí)，保證T可靠飽 和，值最小等于多少？,3、 在輸入為低電平時(shí)，保證可 T 靠截止，VBB值最小等于多少？,題意分析：,先判導(dǎo)和止，再判飽和否。,截至條件：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏。VBE0,飽和條件：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏。VBE 0,練習(xí)題：,解（1）：,先假定T截止，,畫(huà)出T截止等效電路：,滿(mǎn)足截止條件T