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第二节晶体管开关在脉冲与数字电路中,晶体管经常被当作开关来使用。这时晶体管工作于开关状态,所以需要研究晶体管的开关特性。一、晶体二极管开关特性开关元件的作用是能把电路接通和截断。接通就是要元件呈现很小的电阻,最好接近于短路;截断就是要元件呈现很大的电阻,最好接近于开路。我们知道,晶体二极管正向运用时的电阻很小,反向运用时接近于开路,用它作开关元件是合适的。1.开关等效电路二极管的伏安特性如图1.2.1所示。在脉冲数字电路中的二极管常工作在开关状态:或者截止,或者充分导通。硅二极管在导通时,伏安特性曲线的斜率很陡(见图1.2.1(a)),正向压降在0.7V左右,这时硅二极管可以看成一个0.7V的恒压源(见图1.2.2(a))。而锗二极管的正向伏安特性变化缓慢,管子的正向压降随正向电流的增加而增加,可用一个电阻RD来表示正向导通的二极管(见图1.2.2(b))。(a)(b)图1.2.1二极管的伏安特性(a)硅二极管(b)锗二极管在截止时,硅二极管反向电流很小,一般在1μA以下,可认为反向运用时的硅二极管是一个断开的开关(见图1.2.2(a))。锗二极管反向电流较大,一般在0.01~0.3mA,通常用恒流源代表反向偏置锗二极管,此恒流源I0的大小等于锗二极管的反向电流值(见图1.2.2(b))。导通截止(a)导通截止(b)图1.2.2二极管等效电路(a)硅二极管(b)锗二极管在很多情况下可把硅二极管和锗二极管都视为理想的开关,即用一个理想开关来等效:截止时认为开路;导通时认为短路(见图1.2.3)。(a)(b)图1.2.3简化的二极管等效电路(a)正向导通时(b)反向截止时2.二极管的反向恢复时间二极管由导通变为截止状态是不能瞬间完成的。在图1.2.4(a)电路中,当输入电压vI为+VF时,二极管导通,正向电流FDFFLVviR,这里vDF是二极管的正向压降。输入电压vI由+VF下跳到-VR的瞬间,反向电流iR还是很大的,约等于RLVR(见图1.2.4(b)),此时二极管仍然导通,其两端仍有很小的正向压降。只有经过一段时间tR之后,二极管电流才近似等于反向漏电流I0。tR称为二极管反向恢复时间。tR由存储时间ts和下降时间tf两部分组成。下面讨论形成反向恢复时间的原因。在正向导通时,p-n结两边的载流子不断地向对方扩散,不仅使空间电荷区变窄,而且在对方区域中有相当数量的存储:在p区存储有电子,在n区存储有空穴(见图1.2.5)。正是由于这些存储电荷的存在,使外加电压由+VF跳变到-VR时,p区所积累的大量电子被反向电场拉回n区,形成电子漂移电流;n区中积累的空穴也被拉回p区,形成空穴漂移电流(见图1.2.6)。这两个漂移电流构成了很大的反向电流iR,其大小主要取决于电路参数,在ts期间它大约为-VR/RL。反向电流使存储电荷逐渐消失。靠近空间电荷区的存储电荷消失得较快,当空间电荷区边界处没有存储电荷时,vD由正偏转向反偏,存储时间ts结束。此后,反向电流开始减小,当存储电荷基本消失,反向电流近似为-0.1VR/RL时,下降时间tƒ结束。此后,二极管电流逐渐减小到反向漏电流I0。反向恢复时间RSfttt。(a)(b)图1.2.4二极管的反向恢复时间(a)电路图(b)波形图空间电荷区电子空穴P区n区电子空穴P区n区空穴移动方向电子移动方向图1.2.5二极管存储电荷的分布图1.2.6存储电荷的运行形成漂移电流tR和管子本身特性有关,并且和运用情况有关。显然,正向电流iF越大,存储电荷越多,反向恢复时间tR越长;反向电压|VR|越大,存储电荷消失得越快,反向恢复时间越短。此外,二极管由截止转为导通时,存储电荷由少变多也需要一定时间,不过它比tR短得多,可以忽略。3.二极管开关参数二极管开关运用的主要参数如下:(1)最大正向电流:二极管正向电流的最大许容许值。(2)正向压降:二极管工作在一定正向电流下的正向压降。一般锗管为0.3V到0.5V;硅管约为0.7V。(3)反向击穿电压:在一定的反向电压下,二极管的反向电流很小;当反向电压达到反向击穿电压时,管子的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加(见图1.2.1)。通常,将管子的反向电流增加到100μA时所对应的反向电压值定义为反向击穿电压。器件手册有时给出反向工作的最大允许值,即最高反向工作电压,它的数值比击穿电压小一些。(4)反向电流:最高反向工作电压下的反向电流值。一般锗管为几十μA,硅管小于1μA。温度升高10℃,反向电流几乎增加一倍。(5)反向恢复时间:在一定负载上,一定的正、反向电流条件下测定的反向恢复时间,一般为几ns。二、二极管限幅器及钳位器在脉冲与数字电路中,限幅器及钳位器是两种常用的简单电路。利用二极管的开关特性可以构成二极管限幅器及钳位器。1.二极管限幅器(1)限幅器的用途。所谓限幅就是当输入信号电压在一定范围里变化时,输出电压成比例地改变;而在超出该范围时,输出就几乎不变。这相当于把一定范围以外的输入波形削去,所以限幅又叫削波。根据削去的部位,限幅还可分上限幅(上部被削去),下限幅(下部被削去)和双向限幅(削去两头、留下中间)。(a)(b)(c)图1.2.7限幅应用举例(a)变换(b)整形(c)选择限幅在脉冲、数字设备里应用很广,下面举变换、整形和选择为例加以说明。图1.2.7(a)和(b)都是用双向限幅将图中的阴影部分削去,可看出,前者把正弦波“变换”为近似方波;后者把不整齐的方波“整形”为方整的方波。图1.2.7(c)是采用下限幅,把振幅超过一定数值的脉冲信号选择出来。(2)二极管限幅器的原理。利用二极管的截止和导电,可以完成限幅作用,图1.2.8是下限幅的一个例子。设限幅电阻R远大于二极管的内阻,而外加信号又远大于二极管的起始电压,因此作近似计算时,可认为二极管导电时相当于短路。当输入电压为正时,二极管导电,输出电压近似等于输入电压;当输入电压为负时,二极管截止,相当于开路,输出电压为零。因此,输出电压和输入电压的关系式为:IvDROv)(aOvOvIvt0)(b图1.2.8二极管串联限幅器(0)0(0)IOIvvv当当(1.2.1)当vI为正弦波时,其输出波形如图1.2.8(b)所示。图1.2.8(a)电路中的二极管D和输出端串联,称为串联限幅器。不难看出,利用图1.2.9所示的并联限幅器,也能得到同样的效果,它是利用二极管导电将输出近似短路而达到限幅的目的。若把图1.2.8和图1.2.9电路中二极管倒接,便能变下限幅为上限幅。RDIvOv图1.2.9二极管并联限幅器如果要得到双向限幅,一般要有两个二极管。图1.2.10(a)是串联双向限幅器的例子,图中V2V1,在串联双向限幅中,要注意其中后一级对前一级的影响。从图1.2.10(a)电路中可以看出,在输入端不加信号时,由于V2V1,二极管D2是导电的,回路电流在R1上生成一定的压降,使A点的电位VA为:211112AVVVVRRR(1.2.2)(a)(b)图1.2.10串联双向限幅器因此输入电压只有大于VA时二极管D1才会导电相当于把下限幅电平从V1提高到VA。而上限幅电平仍为V2。因此V2和VA分别为两个二极管导电或截止的分界,所以可用V2和VA为界限把输入电压分为三个区域如图1.2.10(b)所示,每个区域中二极管的状态,以及相应的输出电压vO的值均标在图中。图1.2.10(a)的双向限幅器实际是两个串联限幅器合并而成。很容易联想到,用两级并联限幅也能组成双向限幅器,电路图如图1.2.11(a)所示。图中V1V2,用限幅电平V1和V2为界限把输入电压分成三个区域,每个区域中二极管的状态及输出vO的值如图1.2.11(b)所示。(3)二极管限幅器的惰性。前面对二极管限幅器的分析没有考虑二极管的开关惰性和寄生电容的影响,其结果只适用于低速工作的场合。如果工作速度很高时,上述影响是不能忽略的。为了使二极管限幅器能作高速运用,首先必须选用合适的开关二极管,它的反向恢复时间要远小于工作周期。R1D2D1V2VIvOv1V2V01D2DIvOvtIvOvOv1V2VIv1D1D2D2DOvIvOv(a)(b)图1.2.11并联双向限幅器如果已经选用了合适的二极管,其开关惰性和结电容的影响可以忽略不计。但输出端的寄生电容(包括接线电容和下级输入电容)往往会对波形有较大影响,特别是电阻R取得过大时,影响会更加严重。IvOvrtOv0RC1t2tft02E1E0Crdt(a)(b)图1.2.12串联限幅器寄生电容的影响下面先讨论串联限幅器寄生电容的影响。如图1.2.12所示,设输入vI为一理想方波,在时间t1以前,vI=-E2,二极管D截止,输出电压vO=0,在t=t1时,vI从-E2跃变到+E1,二极管D导电,+E1通过二极管的内阻rd对寄生电容C0充电,充电时常数τ=rdC0比较小,所以输出电压上升较快。在t=t2时,VI又跃变到-E2,二极管D截止,C0通过电阻R放电,放电时常数为RC0。由于通常电阻R比rd大得多,输出电压的下降要慢得多。从上面的说明可知,输出电压的上升时间tr和下降时间ft分别为02.3RdtrC02.3ftRC为了改善输出电压的下降边,应将R取小,但R太小是不行的,因为二极管D导通时,输入电压通过二极管内阻rd的分压加到输出端,R通常应比rd大得多。因此这种限幅器的下降边要比上升边差很多。下面再来研究并联限幅器寄生电容的影响。如图1.2.13(b)所示,在时间t1之前,vI=-E2,二极管D导电,输出电压vO=0。当t=t1时输入电压跃变到+E1,二极管D截止,输入电压通过R对C0充电,输出电压的上升时间为02.3rtRC(a)(b)图1.2.13并联限幅器寄生电容的影响当t=t2时,输入电压又回到-E2,由于电容电压不能突变,二极管D仍然截止,输出电压从+E1以时常数RC0趋向-E2,以时间t2为起点,可列出vO的表示式:0221()tRCOvEEEe(1.2.2)当vO下降到低于零时,二极管立即导电,把电压限制在零。所以令上式中vO=0,可求出下降时间ft为:1202fEEtRClnE(1.2.3)若E1=E2,则00.7ftRC,即输出波形的下降时间只有上升时间的1/3弱。比较两种限幅器可看出:对于下限幅,串联限幅具有陡峭的上升边,而并联限幅的下降边要稍好一些。不难理解,对于上限幅,则串联限幅具有陡峭的下降边,而并联限幅的上升边要稍好一些。实际应用中可根据这些特点进行选择。2.二极管钳位器在脉冲技术中,有时需要将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一选定的电平上,通常称为波形钳位。二极管钳位器即用来完成这一工作。图1.2.14(a)所示是将脉冲波形顶部钳位于零电平的钳位器。假若钳位器的输入电压vI为矩形脉冲序列,如图1.2.14(b)所示,下面讨论钳位器是如何把矩形脉冲序列顶部钳位于零电平的。如图1.2.14(b)所示,在时间t1以前,各个电压都等于零。在t=t1时,第一个方波到来,vI跃变到E,这时二极管D导电,以很小的时常数rdC对电容C充电,vC很快从零充到E,而输出电压vO则在t1时上跳到E,然后很快回到零。CRDIvOv)(aEEIvOvCvt1T2T0ECrd~1t2t3t4t5ttE0000ECrd~)(b图1.2.14二极管顶部钳位器当t=t2时,正方波过去,vI从E下跳到零。由于vC不能突变,输出电压vO也下跳同样数值,即由零下跳到-E,二极管D截止。这时电容C经电阻R放电,由于时常数RC很大,vC和vO只变化很少一点,第二个正方波又到来。当t=t3时,vI又从零跃变到E,vO也上跳同样的数值,但现在vO是从相当大的负压上跳的,上跳后只是稍大于零。这时二极管再次导电,vC很快充到E,vO很快回到零。以后将重复上述过程。上面的讨论表明,顶部钳位器是利用二极管导电时的小时常数将电容电压很快充到输入电压的正峰值;而在输入
本文标题:晶体管的开关介绍
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