晶体三极管开关特性课件.ppt

1、晶体管的开关特性开关断开时：开关断开时：I I=0,=0,开关两端电阻为开关两端电阻为。开关闭合时：开关闭合时：R=0,R=0,开关两端电压为开关两端电压为0 0。开开关动作瞬时完成。关动作瞬时完成。以上三点不受温度等环境因素影响。以上三点不受温度等环境因素影响。在脉冲与数字电路中，晶体管经常被当作开关（电子开关）来使用，那么晶体管工作于开关状态其开关特性是什么？开关元件的作用是能把电路接通接通和断开断开。接通就是要元件呈现很小的电阻，最好接近于短路；断开就是要元件呈现很大的电阻，最好接近于开路。K硅二极管的伏安特性如图所示：+-V VD(V VD0.5V)K+-V VD(V VD0.6V)V

2、D=0.7V 由于二极管具有单向导电性，外加正向电压时导通外加正向电压时导通，外外加反向电压时截止加反向电压时截止。所以，二极管是受外加电压极性控制的开关。正向特性：正向特性：硅二极管导通，伏安特性曲线非常陡峭。正向压降为0.7V的恒压源。反向特性：反向特性：硅二极管截止，反相电流很小，一般在1以下，反相运用时，硅二极管相当于断开的开关。/DVV/I mA30201010203024600.51.0uA/DVV/I mA1086422040600.10.20.30.50+-V VD(V VD0V)IO+-V VD(V VD0 V)RD锗二极管的伏安特性如图所示：正向特性：正向特性：锗二极管导通

3、，正向伏安特性变化缓慢。正向压降随正向电流的增加而增加。可用等效电阻RD表示。反向特性：反向特性：锗二极管截止，反向电流较大，一般在0.010.3m。通常用恒流源表示反向反向偏置锗二极管。恒流源的大小等于锗二极管的反向电流值。通常情况下，可以将硅、锗二极管看作是理想开关，截通常情况下，可以将硅、锗二极管看作是理想开关，截止认为开路，导通视为短路。止认为开路，导通视为短路。VD0ID VD0,二极管正偏，管压降为0,有大电流流过。等效开关闭合。当外加电压 VD 和 V t h 相比，不可忽略时：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流变化而改变。典型值硅管0.7V，锗管0.3VV7.0Vt

4、hVD0IDVIVOK2.2.二极管反向恢复时间：二极管反向恢复时间：理想情况下：理想情况下：当 VI=VF 时，二极管正偏而导通。LDFIFRVVi当 VI=-VR时，二极管反偏而截至。0Fi 二极管由导通变为截止状态是不能瞬间完成。FVRVFi00iVittFi+-VIVDF实际情况，二极管反偏时：实际情况，二极管反偏时：0Fi当 VI=VF 时，二极管导通。LDFIFRVVi当 VI由VF下跳到VR瞬间，LRRRVi 二极管仍然导通，PN结两端仍有很小管压降。只有经过一段时间t R以后，流经二极管的电流才近似等于反向电流 IO。t R：反向恢复时间。t R=t s+t ft s：存储时间

5、。t f：下降时间。FiiV0tFVRVit0FiRi反向电流RtStft+-VIVDF PN结正偏时，在外电压作用下，PN结两端多数载流子不断向对方扩散，P P区区的空穴空穴扩散到N N区区，N N区区的电子电子扩散到P P区区。P区存有大量电子，N区存有大量空穴。当外加电压由当外加电压由V VF F下跳到下跳到V VR R时：时：P区积累的大量电子被反向电场拉回到N区，N区积累的大量空穴被反向电场拉回到P区。形成电子、空穴漂移电流，这两个漂移电流就构成了反向电流 i R=-VR/RL。存储时间存储时间 t ts s:反向电流 i R 使存储电荷逐渐消失,靠近空间电荷区的存储电荷消失的比较快

6、,当空间电荷区的边界处没有存储电荷时,二极管由正偏转向反偏。存储时间结束。下降时间下降时间 t tf f:二极管由正偏转向反偏以后，反向电流随漂移电流的减少而减小。一般认为反向电流近似为 ：0.1 VR/RL时，下降时间 t f 结束。t t R R一般只有几个一般只有几个 nsns VI0tVI0t、限幅原理：、限幅原理：利用二极管单向导电性,完成限幅。在理想模型下,VD 0 二极管导通。VD 0,D 导通，VO=Vi。当 Vi E,D 导通。VO=Vi Vi V1，D2 正偏导通，D1反偏截止。D1能否导通看 A 点电位。121121RRRVVVVAVi VA：D1 止、D2 导。VO=V

7、AVA Vi V2：D1 导、D2 止。VO=V2 并联双向限幅器用同样分析方法。ivOvt02VAVA在输入端不加信号时：输入电压ViVA,D1才会导通。V2和VA分别为两个二极管导通或截止的分界。+-V1VID1R1VO+-V2D2R2限幅电平为VA的下限器幅限幅电平为V2的上限器幅下面主要讨论寄生电容对二极管限幅器的影响。寄生电容寄生电容：接线电容、下一级输入电容之和。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，其结果只适应于低速工作场合。在高速工作时，二极管的开关惰性和寄生电容的影响是不能忽略的。二极管限幅器作高速应用时：二极管限幅器作高速应用时：首先选用高速开关

8、二极管，其反向恢复时间远小于工作周期。所以其开关惰性和结电容可以忽略不计。其次要注意输出端寄生电容对输出波形有较大的影响，限幅电阻越大，对波形影响也就越大。首先输入理想方波tivOv02E1Ertft当：VI=-E2,D截止VO=0当：VI从-E2跳变为+E1时，D导通。+E1通过rd向CO充电。充电时常数充电时常数r rd d c co o当：VI从+E1跳变为-E2时，D截止。CO通过电阻R放电。放电时常数放电时常数RCRCO O输出电压上升时间：OdrCrt3.2输出电压下降时间：OfRCt3.2 由于由于RrRrd d，所以，所以下降时间要比上升时下降时间要比上升时间慢的多。间慢的多。

9、要改善下降边，要改善下降边，必须减小必须减小R R。减小。减小R R又会带来输出幅度减又会带来输出幅度减小。小。所以串连限幅器所以串连限幅器的下降边要比上升边的下降边要比上升边差很多。差很多。VOVIRCOdrDivOv0t1E2E当：VI=-E2,D导通，VO=0当：VI从-E2跳变为+E1时，D截止。+E1通过R向CO充电。输出电压上升时间：输出电压上升时间：OrRCt3.2当：VI从+E1跳变为-E2时，二极管能不能导通？由于电容上电压不能突变，D仍然截止。VO以时常数RCO从+E1趋向于-E2放电。放电三要素：放电三要素：10EVO 2EVOORC输出电压：RCtOeEEEV122VI

10、DRCOVOivOv1E02EtRCtOeEEEV122 当：输出电压VO下降到低于零时，二级管立即导通，且将输出电压限制在0V。所以令VO=0,代入公式，求出下降时间tf:ft221lnEEERCtOf如果E1=E2:OfRCt7.0并联限幅器下降沿比上升沿要陡峭。串连限幅具有陡峭的上升沿。串连限幅具有陡峭的上升沿。并连限幅具有陡峭的下降沿。并连限幅具有陡峭的下降沿。串连限幅具有陡峭的下降沿。串连限幅具有陡峭的下降沿。并连限幅具有陡峭的上升沿。并连限幅具有陡峭的上升沿。在工程设计中根据实际需要进行选择。在工程设计中根据实际需要进行选择。二极管开关的通断是受两端电压极性控制。二极管开关的通断是

11、受两端电压极性控制。三极管开关的通断是受基极三极管开关的通断是受基极 b b 控制。控制。1 1、三极管的三种工作区域、三极管的三种工作区域BBCECE/CImA1234502468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区饱和区饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏。放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正

12、偏，集发射结正偏，集 电结反偏电结反偏，电压大于 0.7 V左右(硅管)。/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区三极管工作在放大区。三极管放大条件：三极管放大条件：EBBEVVV,0发射结正偏：CBBCVVV,0集电结反偏：放大特点：放大特点：基极电流IB对集电极电流IC有很强的控制作用,IC=IB。从特性曲线上可以看出，在相同的VCE条件下，IB有很小的变化量IB，IC就有很大的变化量IC。三极管有放大能力，

13、i c i b三极管工作在饱和区。饱和区VCE比较小，也就是IC受VCE显著控制区。即将输出曲线直线上升和弯曲部分划为饱和区。三极管饱和条件：三极管饱和条件：EBBEVVV,0发射结正偏：CBBCVVV,0偏：集电结正基极电位高于发射级、集电极电位。i b IBS/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区三极管饱和特点：三极管饱和特点：当VCE减少到一定程度后，集电结收集载流子的能力减弱，造成发射结“发射有余，集电发射有余，集电结收集不足结收集不足”，集电极电流IC不再服从IC=IB的规律。三极管饱和时的等效电路：三极管饱和

14、时的等效电路：硅管 0.7V锗管 0.3V硅管 0.3V锗管 0.1V不考虑管压降时的等效电路等效于开关闭合VCESbcVBES+-eecb/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区 三极管工作在截止区，IB=0曲线以下。发射结、集电结均反偏。VBE0VBC0CCCCBVVII、00三极管相当于开路三极管截止等效电路：所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。三极管截止条件：三极管截止条件：等效于开关断开ecb/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱

15、和区饱和区放大区放大区截止区截止区三极管三极管PNPN结四种偏置方式组合结四种偏置方式组合发射结发射结(be(be结结)集电结集电结(bc(bc结结)工作状态工作状态正偏正偏反偏反偏放大状态放大状态正偏正偏正偏正偏饱和状态饱和状态反偏反偏反偏反偏截止状态截止状态反偏反偏正偏正偏倒置状态倒置状态/cimA/CEVV20uA40uA60uA80uA100uA120uACCCVR 根据根据VCC和和RC值，值，在输出特性曲线上画在输出特性曲线上画一条负载线。一条负载线。当Vi 60A时i C 几乎不变。三极管进入饱和区。临界饱和时基极电流：CCCcsbsRVII饱和时集电极电流：CCCCSRVIRC

16、2KVCC=6VRBv vi iv vo o=50i i bi i c-1V+3V首先求出基极电流?bi然后求出临界饱和时基极电流：?bsIbsbIi 三极管工作在饱和状态，大的越大的越多，饱和的越深。多，饱和的越深。bsbIi 三极管工作在放大状态0beV三极管工作在截止状态IV2bV1bV0tCi0tCMAXi理想情况下：（饱和、截止动作瞬时完成）三极管开关和二极管开关一样，都存在开关惰性。三极管在作开关运用时，三极管饱和及截止两种状态不是瞬时完成。因为三极管内部存在着电荷建立和消散过程。Vi=Vb2时：T 饱和CCCcRVimaxVi=Vb1时：T 截止0CiRCVCCRBv vi iv

17、 vo oi i bi i c1bV0.9CMAXiIV2bV0t0tCMAXi0.1CMAXidtrtstftCiRCVCCRBv vi iv vo oi i bi i cVi i=-=-V Vb1 b1 时：时：T T 截止截止 i i b b 0 i i c c 0 实际情况下实际情况下：输入由Vb2上跳到Vb1,T由止放大饱和。输入由Vb2下跳到-Vb1,由饱和放大止。需要经历四个时间：需要经历四个时间：延迟时间:i c 由0上升到0.1 i c max上升时间:i c 由0.1 i c max上升到0.9 i c max存储时间:i c 由 I c max下降到0.9 i c max

18、下降时间:i c 由0.9 i c max下降到0.1 i c maxT由截止由截止导通需要的时间：导通需要的时间：t tONON =t=td d+t+tr rT T由导通由导通截止需要的时间：截止需要的时间：t tOffOff=t=ts s+t+tf fontofft用基区电荷分布图说明用基区电荷分布图说明当输入当输入发射结由：发射结由：反偏反偏正偏正偏所需时间所需时间 t td d正向偏压正向偏压基极驱动电流基极驱动电流发射区扩散到基区电子数发射区扩散到基区电子数集电极收集的电子数集电极收集的电子数由小到大变化由小到大变化当基区的电子浓度增加到当基区的电子浓度增加到 4 4 时时：发射结正

19、偏后：发射结正偏后：集电极电流达到临界饱和：集电极电流达到临界饱和：I ICS基区中电子积累所需时间：基区中电子积累所需时间：t r01三极管由截止进入饱和过程：三极管由截止进入饱和过程：NNP电子浓度电子浓度1234临饱放大正偏 I IB BIIBS BS 时，发射结时，发射结发射有余发射有余，集，集电极电极收集不足收集不足。过剩电子在基区积累，。过剩电子在基区积累，如如 4545。这段时间就是存储时间。这段时间就是存储时间 t s 当当i i b b继续增加：继续增加：电子浓度电子浓度NPN1234501分析输入信号由：分析输入信号由：希望基极驱动电流i b 1很大，加速三极管由截止向饱和

20、转变，缩短上升时间t r，减少延迟时间，提高工作速度。虽然i b1增加带来td、t r 减小。同时也会使 t s 增加。要求驱动电流不是常数，而是前大后小，前大加速建前大加速建立，后小不过分饱和。立，后小不过分饱和。正偏放大临饱深饱1bi电子浓度NPN12345当输入当输入01三极管由饱和进入截止过程：三极管由饱和进入截止过程：由于基区电子不能立即消失，T 仍然饱和，其转变过程是：随正偏压的减小，基区存储的电子逐渐减小。54区间中电子积累从深饱和深饱和浅饱和浅饱和临界饱和临界饱和放大放大截止。截止。分析输入信号由：分析输入信号由：01 希望基极驱散电流i b 2很大,加速三极管由饱和向截止状态

21、转变。同样同样i i b2b2增加带来增加带来t f 减小。同时也会使减小。同时也会使 t d 增加。即：三极管截止增加。即：三极管截止时，反偏电压越大，转向正偏时间越长。因此，要求驱动电流也不是时，反偏电压越大，转向正偏时间越长。因此，要求驱动电流也不是常数，而是常数，而是前大后小前大后小，前大快速驱散，后小不过分截止。前大快速驱散，后小不过分截止。深饱临饱放大正偏2bi结论：结论：把三极管由截止饱和的基极电流i b1叫做正向驱动电流。把三极管由饱和截止的基极电流i b2叫做反向驱散电流。这样一个前大后小的基极驱动电流很难选取。但可以利用电容C上的电压不能突变的特性，近似实现。这个电容叫做加

22、速电容加速电容。iVbitt00RCVCCR1v vi iv vo oRSC1 R1、R2、外加负偏压、外加负偏压VBB及及Vi i 共同决定三极管工作状态，保证三极共同决定三极管工作状态，保证三极管在开关方波的作用下可靠工作于饱管在开关方波的作用下可靠工作于饱和、截止两种状态。和、截止两种状态。那么如何保证三极管可靠工作？就依靠合理选择基极偏置电阻来保证。（设计问题）当当Vi i=0=0 时：时：希望希望T截止截止先假设先假设T止再看止再看是否止是否止画截止等效电路画截止等效电路121RRRVVBBbe-1V三极管截止条件：V be0令：V be1V T 可靠截止当当V i i=E 时：时：

23、希望希望T饱和，饱和，先假设先假设T饱和再饱和再判是否饱和判是否饱和画饱和等效电路画饱和等效电路2121RVREiiiBBb三极管截止条件：i b IBS0ERCVCCR1v vi iv vo oR2-VBBC1R1R2VBBbe+R1R2VBBbe+Ei bi 1i 2CCCCSbSRVIICCCBBRVRVRE21即：三极管一定饱和。元件选择：元件选择：T:先选择开关管，再根据手册给出ICM确定RC。VCC、VBB 根据工作条件确定。C1根据开关管截至频率确定。反相器的优点：反相器的优点：输出振幅比较大，饱和时 VO 0。截止时，VO VCC。三极管饱和时，V c e s=0.3V 所以功

24、耗小。对的一致性要求底，只要满足CSbIi CO 反相器的基本功能是将输入信号反相输出，输出信号应保反相器的基本功能是将输入信号反相输出，输出信号应保持与输入信号形状一致，但由于三极管本身存在：开关时间、持与输入信号形状一致，但由于三极管本身存在：开关时间、分布电容及寄生电容的影响，使输出波形产生一定畸变，只能分布电容及寄生电容的影响，使输出波形产生一定畸变，只能采取措施，使这种畸变尽可能减小至容许范围之内。采取措施，使这种畸变尽可能减小至容许范围之内。常用方法：常用方法：采用加速电容，增加钳位二极管。采用加速电容，增加钳位二极管。VCL:钳位电压，钳位电压，VCL0,RC2KR1R24.3K

25、16KVCC=12V-VBB=8V0.3V5.5VC1TVI IVO OR1R2VBBVI Ibe+解（1）：时当VVVILi3.0先假定T截止，。0是否看BEV画出画出T T截止等效电路：截止等效电路：BBILILEBBEVVRRRVVVV211046.1V满足截止条件T截止目的是判断T能否截止：VVBE0截止：VVBE0导通：VVIL3.0RC2KR1R24.3K16KVCC=12V-VBB=8V0.3V5.5VC1TVI IVO OR1R2VBBVI Ibe+VBES：时当VVVIHi5.5BBIHIHEBBEVVRRRVVVV211064.2VT导通，判别：BSBII；放大导通BSBI

26、I；饱和导通假定假定T T饱和，画出饱和等效电路饱和，画出饱和等效电路21RVVRVVIBESBBBESIHBmA46.0mARVVIICCESCCCSBS26.0。所以三极管可靠饱和因为,BSBII VVIH5.5BIRC2KR1R24.3K16KVCC=12V-VBB=8V0.3V5.5VC1TVI IVO O2、在输入为高电平时，保证T可靠饱 和，值最小等于多少？假设：VI=5.5V时，T处于临界饱和状态，IB=IBS,求出临界饱和时值。mAIRVVIIBCCESCCCSBS46.0VVCC12VVCES3.0KRC5.1求出17CSBSII因为：可知：；饱和条件由三极管BSBII 所以保证三极管可靠饱和的最小值应大于17。值越大，越有利于饱和。3、在输入为低电平时，保证可 T 靠截止，VBB值最小等于多少？假设：VI=0.3V时，T处于临界截止状态，VBE=0。0211BBILILBEVVRRRVV令：KR3.41KR162VVIL3.0VVBB1.1求出。应大于时，三极管可靠截止，即保证在VVVVBBILI1.1