三极管MOS管开关

晶体三极管的开关特性•晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成.根据两个PN结的偏置极性,三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。下图给出了用NPN型共发射极晶体管组成的简单电路及其输出特性曲线。三极管静态特性–当输入电压Ui=-VB时三极管的发射结和集电结均为反向偏置(VBE0,VBC0),只有很小的反向漏电流IEBO和ICBO分别流过两个结,故ib和iC接近零，VCE=VCC对应于A点。这时集电极回路中的c、e极之间近似于开路，相当于开关断路。三极管的这种工作状态称为截止。–当输入电压Ui=+VB2时,调节Rb,使iB=VCC/βRC,则三极管工作在C点,集电极电流iC已接近于最大值VCC/RC，由于iC受到RC的限制，它已不可能象放大区那样随着iB的增加而成比例地增加了，即认为集电极电流已达到饱和，对应的基极电流称为基极临界饱和电流IBS(VCC/βRC)，而集电极电流称为集电极饱和电流ICS≈(VCC/RC)。此后，如果再增加基极电流，则饱和程度加深，但集电极电流基本上保持在ICS不再增加，集电极电压VCE=VCC–ICSRC=VCES≈0.2~0.3V这个电压称为饱和压降。它也基本上不随iB增加而改变。由于VCES很小，集电极回路中的c、e极之间近似于短路，相当于开关闭合一样。三极管的这种工作状态称为饱和。三极管截止状态等效电路•晶体三极管在饱和与截止两种状态的特性称为开关特性，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其等效电路如下(1)截止状态的三极管等效电路。ib≈Rb0CUCE≈VCCEiB≈0RbBRCVcc三极管饱和状态等效电路•晶体三极管在饱和与截止两种状态的特性称为开关特性，其等效电路如下(2)饱和状态的三极管等效电路。(+)0.3VE(-)(+)0.7V(-)RbBRCCRb(+)0.7V(-)(+)0.3V(-)Ucc三极管动态特性Ⅰ•晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。三极管和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态也需要一定的时间才能完成。•如在左上图所示的电路输入端加入一个理想的方波,其幅度在-VB1和+VB2之间变化,则输出电流ic的波形已不是和输入波形一样的理想方波见左下图。三极管动态特性Ⅱ•从左图可知波形起始部分和平顶部分都延迟了一段时间,上升和下降沿都变得缓慢了。为了对三极管的瞬态过程进行定量描述，通常引入以下几个参数来表征：–延迟时间td——从+VB2加入到集电极电流ic上升到0.1ICS所需时间；–上升时间tr——ic从0.1ICS上升到0.9ICS所需时间;–存储时间ts——从输入信号降到-VB2到ic降到0.9ICS所需时间;–下降时间tf——从ic从0.9ICS下降到0.1ICS所需时间。三极管动态特性Ⅲ•延迟时间td：当三极管处于截止状态时，发射极反偏，空间电荷区比较宽。当输入信号ui由-U1跳变到+U2时，由于发射结空间电荷区仍保持在截止时的宽度，故发射区的电子还不能立即穿过发射结到达基区。这时发射区的电子进入空间电荷区，使空间电荷区变窄，然后发射区开始向基区发射电子，晶体管开始导通。•上升时间tr：发射区不断向基区注入电子，电子在基区积累，并向集电区扩散，形成集电极电流ic。随着基区电子浓度的增加，ic不断增大。三极管动态特性Ⅳ•存储时间ts：经过上升时间后，集电极电流继续增加到Ics，这时由于进入了饱和状态，集电极收集电子的能力减弱，过剩的电子在基区不断积累起来，称为超量存储电荷，同时集电区靠近边界处也积累起一定的空穴，集电结处于正向偏置。当输入电压ui由+U2跳变到-U1时，上述存储电荷不能立即消失，而是在反向电压作用下产生漂移运动而形成反向基极电流，促使超量存储电荷泄放。在存储电荷完全消失前，集电极电流维持Ics不变，直至存储电荷全部消散，晶体管才开始退出饱和状态，ic开始下降。•下降时间tf：在基区存储的多余电荷全部消失后，基区中的电子在反向电压的作用下越来越少，集电极电流ic也不断减少，并逐渐接近于0。三极管动态特性Ⅴ•上述四个参数称为三极管的开关时间参数，我们从图上看到，它们都以集电极电流ic变化为基准的。–通常把ton=td+tr称为开通时间，它反映了三极管从截止到饱和所需的时间。–而把toff=ts+tf称为关闭时间，它反映了三极管从饱和到截止所需的时间。–开通时间和关闭时间总称为开关时间，它随管子类型不同而有很大差别，一般在几十至几百纳秒的范围，可以从器件手册中查到。MOS管的开关特性Ⅰ•静态特性•MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压UGS决定其工作状态。图为由NMOS增强型管构成的开关电路。当UGS小于NMOS管的启动电压UT时，MOS管工作在截止区，iDS基本为0，输出电压UDS≈UDD，MOS管处于“断开”状态，其等效电路为如右。MOS管的开关特性Ⅱ–当UGS大于NMOS管的启动电压UT时，MOS管工作在导通区，此时漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中rDS为MOS管处于导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDD•rDS/(RD+rDS)，如果rDSRD，则UDS≈0V，MOS管处于“接通”状态，其等效电路为如下。动态特性MOS管在导通与截止状态发生转换时同样存在过渡过程但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下面给出了MOS管组成的电路及其动态特性示意图。MOS管动态特性Ⅰ•当输入电压ui由高变低，MOS管由导通状态转换为截止状态时，电源UDD通过RDD向杂散电容CL充电，充电时间常数τ1=RDDCL。所以，输出电压uo要通过一定延时才能由低电平变为高电平；uiidUo放电充电CLui0iD0Uo0截止导通截止MOS管动态特性Ⅱ–当输入电压ui由低变高，MOS管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数τ2≈rDSCL由此可见，输出电压uo也要经过一定延时才能转变成低电平。但因rDS比RD小的多，所以，由截止到导通的转变时间比由导通到截止的转变时间要短。–总的来说，由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体多管的饱和电阻rCES要大的，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体管的开关速度低。不过，在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低电阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度。CMOS电路图•CMOS电路图条件晶体二极管晶体三极管PMOS管NMOS管开关电路DUiRUoUCCRCRbuouiBUddUiUoUddUoUi开关工作条件截止UFUTHuB0ui为高电平ui为低电平导通(饱和)UF≥UTHuB0IB≥IBSIBSICS1βICS=(uCC-uCES)/RCui为低电平ui为高电平半导体器件的开关电路及工作条件