电工学第八章Word文档格式.docx

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煤炭工业出版社

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安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（内页）

授课时间：

授课章节

第八章晶体管脉冲电路的基本知识

第一节RC电路

教学目的

重点与难点

教学重点

教学难点

教学方法

讲授法、讲练结合

教学手段

教学过程

时间分配

教学内容

学时数

教学过程设计

复习提问

组织教学

引入新课

讲授新课

课堂小结

布置作业

实验

思考题及作业题

教后感

安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）

教法提示及备注

利用RC电路的充放电，可以对脉冲波形进行交换。

一、电容器的充放电现象

设电容器上的电荷在电路接通之前为零，它的压降亦为零。

当开关K从“2”的位置转换到“1”的位置，即电路接通一瞬间，直流电源U对电容C进行充电，在t＝（0+）时（电源接通后的一瞬间），电容在电路中相当于短路，电容两端压降仍为零，此时电路中的充电电流为Ic＝E/R。

随着时间的推移，电容两端的电荷逐渐积累，电容上的电压也逐渐增加，而充电电流Ic＝（E－Uc）/R将随着Uc上升而下降，同时UR也随之下降。

经过一段时间后，电容上的电荷充满了，它的两端电压等于电源电动势E，此时充电电流为零，UR也为零，电容充电完毕，电路进入了稳定状态。

从电容充电过程可以看出，当电路刚接通时，电容器在电路中相当于短路；

充电完毕，电路进入稳态，电容器相当于断路。

另外，电容器两端的电压不能跃变，它要经过一段时

第页

间后才能达到稳定值E。

RC为充电电路的时间常数，用τ表示。

电容器充电速度与电路的充电时间常数τ值有关，τ越大，充电速度越慢；

反之，充电速度越快。

电容器充电完毕后，如果把开关K瞬间转换至“2”的位置，电容就通过电阻R放电，电容上的电压Uc下降，直到为零，放电过程结束。

整个放电过程和充电过程雷同，只不过电流方向相反，这里不再作分析。

二、微分电路

在脉冲电路中，经常需要将一个矩形脉冲波变换为正、负的尖脉冲。

具有这种波形变换功能的RC电路，通常叫做微分电路。

1、电路组成

微分电路由电容和电阻串联组成。

2、工作原理

若在微分电路的输入端输入一个矩形波，脉冲幅度为Um，脉冲宽度为tp，设电路的时间常数τ＝RC＜＜tp，则在输出端可以得到两个形状相同的正、

负尖脉冲。

三、积分电路

在脉冲电路中，常需要将矩形脉冲变换为锯齿波或三角波。

可完成这种功能的RC电路，通常称为积分电路。

与微分电路的不同点是R和C的位置互换了，而且由电容两端取得输出信号，即U0＝Uc。

当电路的时间常数较大时，即RC＞＞tp，便构成了积分电路。

只要RC电路时间常数足够大，就可将矩形脉冲变换为近似斜线上升和下降的三角波，但是三角波的幅值要比矩形脉冲的幅度低得多。

第二节晶体管的开关特性

在我们的日常生活和生产中，经常用开关来接通和切断电源，如闸刀开关、拉线开关、按钮开关等，这些开关都是有接触点，叫做有接触点的开关。

这种类型的开关状态是比较理想的，如图8－5a所示，当开关接通时，其接触电阻很小，可以看作零。

因此，开关两端电压降Uk＝0，回路中的电流I＝E/R＝12/2＝6mA。

当开关K断开时，开关触头之间的电阻可以看作是无穷大，于是开关两端的电压Uk＝E=12V，回路电流I＝0。

从开关两端的电压波形来看，开关断开时，电压Uk是12V；

开关接通时，电压Uk＝0。

因此当开关重复接通和断开时，我们在开关两端就能得到一系列的矩形电压波。

一、二极管的开关特性

实际上，晶体二极管也可以作为开关使用，因为二极管具有单向导电的特性。

当开关K合到Ⅰ侧时，二极管V两端承受正向电压，V导通。

如果不考虑二极管的正向压降，就可以把二极管看成开关

的闭合状态。

当开关K接到2侧时，二极管V两端承受反向电压而截止。

由于二极管的反向电阻很大，相当于断路状态，因而可以认为二极管的反向端电压等于电源电压E2，这时二极管V便相当于一个断开的开关了。

由此可得：

二极管的导通和截止，就相当于开关的接通与断开。

二、三极管的开关特性

我们常用晶体管的导通和截止来代替开关的接通与断开，这时的晶体三极管主要工作在饱和区和截止区，放大区只是两者转换时过渡而已。

1、截止状态

当晶体三极管处于截止状态时，其发射结应处于反偏或零偏，集电结应处于反偏。

此时，Ib＝0，Ic＝0，UCE＝Ec，其等效电路如图8－7所示。

这种工作状态，相当于工作在图6－15所示输出特性曲线Ib＝0下面的区域。

与普通开关相比较，晶体三极管的这种工作状态（c－e之间）相当于开关的断开状态。

2、饱和状态

当晶体三极管处于饱和状态时，其发射结和集电结均应处于正偏，且Ic不再随Ib的增加而增加。

此时三极管c－e之间相当于普通开关的接通状态。

但是，由于晶体管从截止状态转换到饱和状态或从饱和状态转换到截止状态时，受结电容和分布电容的影响，会使输出波形产生延滞失真，如图8－9所示，这就使得晶体三极管的导通（饱和）和断开（截止）都需要一定的时间，在高速应用的场合将会使晶体三极管失去开关作用。

为了解决这个矛盾，应缩短开关的打开和关断的时间（即晶体管的导通和截止所需要的时间）。

通常在基极电阻Rb上并联一个电容器C，这个电容器称为加速电容。

三、晶体管反相器

我们前面讨论的简单开关电路，实际上就是一个反相器。

因为它是一个共射电路，所以它的输出电压波形总是和输入电压波形相反。

反相器是组成复杂的脉冲和数字电路的一个常用的基本环节。

反相器电路的工作特点主要是：

当输入电压Ui为低电平时，加到管子b－e之间的电压Ube＜0，能保证管子可靠地截止，使输出电压U0上升到高电平Ec；

而当输入电压Ui为高电平时，送给管子的基极电流Ib＞Ibs，能保证管子饱和导通，使输出电压U0下降至低电平Uces。

U0与Ui的波形关系如图8－11b所示。

第三节集基耦合双稳态触发器

一、电路的引入和构成

双稳态触发器如图8－13所示，它由两个相同的反相器连接而成，实际上是一种交叉耦合的二级倒相电路。

三极管V1集电极的输出经电阻Rk2、Rb2分压后接至三极管V2的基极输入端，而V2的集电极输出又经Rk1、Rb1分压后接至V1基极输入端，构成了一个闭合环路。

这种电路实际上是一个对称的具有正反馈的两级放大器。

二、工作原理

1、两个稳定状态

由图8－13电路可知，当电源接通后，三极管V1和V2几乎同时导通，导通后它们的集电极电位同时下降，欲使对方的基极电位降低，进入截止状态。

实际上元件或管子参数存在着离散性，V1和V2的电流增长的过程是不平衡的。

假如某一管子在导通时，电流增长能力要强一些，由于正反馈的作用，就形成了连锁反应，使得导通能力强的管子很快达到饱和，而导通能力弱的管子进入截止状态。

由于电路元件的对称性，电源接通后，也可能V2饱和导通，V1截止，这是电路的另一种稳定状态，因此进入两种状态的几率均等。

电路元件越对称，两种稳态出现的可能性越接近。

2、触发翻转

双稳态电路不仅具有两个稳定状态，更重要的是它在外加触发信号的作用下，可由一种稳定状态翻转为另一种稳定状态。

若在截止管的基极加入一个正脉冲，电路同样可以发生翻转。

三、输出电压幅度

双稳态电路的输出可由三极管V1或V2的集电极引出，输出电压幅度应等于三极管截止与饱和时集电极电位的差值。

三极管饱和时，集电极输出低电位，即U0L＝Uces，近似为零。

四、触发方式

为使双稳态触发器翻转，必需外加触发脉冲。

根据触发脉冲信号的输入方式，可分为分别触发方

式和计数触发方式两类。

不论采用何种触发方式，都需要适当地引入触发信号的电路，又称触发电路。

1、触发电路

引入触发信号的电路一般有两种：

一种是由RC微分电路和隔离二极管组成的触发电路，另一种是电位脉冲门。

2、分别触发方式

分别触发方式的基本电路如图8－16a所示。

图中，触发器的输入电路是两个由微分电路和隔离二极管组成的触发电路，两个独立的触发信号Ui1和Ui2分别由R端和S端输入，其输出负尖脉冲分别加到三极管V1和V2的基极。

3、计数触发方式

分别触发方式的触发器，不论从R端还是从S端输入一系列触发脉冲信号时，电路最多只能翻转一次。

如要实现计数要求，必需每输入一个触发脉冲信号，电路就能翻转一次。

为此，需要把触发脉冲的引入加以控制，使触发脉冲每次都能引导到饱和管的基极，保证每输入一个触发脉冲，触发器都能

翻转一次。

五、应用举例

双稳态触发器具有两个稳定状态，而且只有在外加信号的作用下可以从一种稳定状态翻转为另一种稳定状态，并且一直保持这种状态，直到下一个触发信号到来时为正。

这种维持状态不变的特性称为“记忆”功能。

由于它具有记忆功能，所以在计数、分频、寄存电路中被广泛应用。

第四节集基耦合单稳态触发器

单稳态触发器（简称单稳电路）只有一个稳定状态，它的工作特点是无触发信号输入时，电路处于稳定状态；

当外加一个触发信号，电路可自动翻转到另一个暂稳状态，经过一段时间电路将自动翻转到原来的稳定状态。

暂稳状态的持续时间取决于电路本身的定时元件参数，而与触发信号无关，电路的触发周期则取决于触发信号。

由于单稳电路具有这些特点，因此被广泛用于脉冲的整形（把不规则的波形变换成宽度、幅度一定的矩形波）、延时（将输入脉冲延迟一定的时间输出）和定时（产生固定时间宽度的脉冲）等电路中。

一、电路组成及工作原理

单稳电路的基本形式如图8－19a所示，它由两级反相器交叉耦合而成，V1集电极到V2基极是采用电阻耦合，V2集电极到V1的基极是采用电容耦合，故称为集—基耦合。

触发电路由Cd、Rd和Dd组成，触发信号加至V1的基极。

1）无触发信号时电路处于稳态

V1基极电阻Rb1直接与电源Ec相连。

当电源接通后，只要电路参数选得合适，就可以使V1处于饱和导通状态。

V1饱和后，Uc1＝Uces≈0.3V，－Eb通过Rk1、Rb2分压使V2的基极电位为负值，因此V2截止。

由此可知，电路只有V1饱和、V2截止这一种状态。

2）第一次翻转

当输入触发信号ui负跳变到来（t1时刻）时，将有一负尖脉冲加到V1基极上。

只要负脉冲的幅度足够大，就能迫使V1退出饱和状态而进入放大状态，使得Uc1上升，经Rk耦合后Ub2随之上升，V2由截止状态进入放大区。

由于正反馈的结果，使V1迅速截止，V2迅速饱和，电路进入暂稳态过程中。

3）暂稳态

在电路的暂稳态期间，电容C将通过电源Ec、电阻Rb1、V2的c、e极放电并反向充电。

4）第二次翻转——暂稳态自动返回稳态

由于电容C的放电而使V1的Ube1上升到0.5V时，V1重新导通，使ib1增加，再一次引起电路产生强烈正反馈过程。

5）恢复过程

暂稳态结束后，三极管V1、V2的状态已恢复为稳态，即V1饱和、V2截止的状态。

但电容C还要经过一个充电过程，电路中各点电位才能达到稳态值，这就是单稳电路的恢复过程。

二、输出脉冲宽度和幅度

1、输出脉冲宽度tp

单稳态电路输出脉冲宽度tp就是电路暂稳态的维持时间。

三、应用举例

单稳态触发器的一个直接应用就是用作脉冲整形电路。

第五节逻辑门电路简介

在数字系统中，如电子计算机、数据处理、数字通信和数字仪表等，不管其内部电路如何复杂，但它的基本组成是逻辑门电路。

逻辑门电路是构成数字电路的基本单元。

所谓“门”实际上是一种开关，它有多个输入端，一个输出端，并能按照一定的条件去控制信号的通断，起到对信号的控制和传递作用。

另外，这些门能完成基本的逻辑运算。

一、门电路概述

日常生活中，我们常常会遇到许多相互矛盾的事物，如电位的高和低；

脉冲信号的有和无；

开关的合与开；

真与假等等。

对这些相互矛盾的事物，可以用数字关系来描述，这种数字关系就是一种逻辑关系。

在逻辑代数中，变量的取值是非常简单的，不是“0”就是“1”，这里的“0”和“1”并不表示数量的大小，而只是表示两种不同的逻辑关系。

而门电路就是用来描述这种逻辑关系的电路。

二、基本逻辑门电路

任何一种复杂的逻辑问题都可通过基本逻辑运

算关系来解决，而这种基本关系就是“与”、“或”、“非”逻辑关系。

1、与门

1）与逻辑关系

如果所有的条件都满足时结果才成立，这种逻辑关系称为与逻辑关系，简称与逻辑，相应的运算称为与运算，也称为逻辑乘。

从真值表可知，与逻辑的口诀是“全1出1，有0出0”。

2）与逻辑表达式

除用真值表示逻辑关系外，还可以用逻辑表达式表示。

与逻辑的表达式为：

Y＝A×

B（8－12）

3）与门电路及逻辑符号

在数字电路中，实现与逻辑关系的最简单电路如图8－26a所示，A、B为输入端，Y为输出端。

只有当A与B全是高电平时，三极管V1和V2都饱和导通，输出端Y才是高电平。

4）波形图

与门中如果输入到A、B两端的数字信号已知，根据真值表、逻辑表达式，就可以画出与门输出端Y的波形。

2、或门

1）或逻辑关系

如果几个条件之一具备时，结果就成立，这种因果关系是逻辑关系，相应的运算称或运算，也称为逻辑加。

2）或逻辑表达式

Y＝A＋B（8－13）

它的含义是：

注意逻辑加中1＋1≠2。

3）或门逻辑电路及逻辑符号

在数字电路中，实现或逻辑最简单的电路如图8－29所示。

A、B两个输入端只要有一个为高电平，对应的三极管饱和导通，输出Y即为高电平。

3、非门

1）非逻辑关系

非逻辑就是相反和否定的意思，非逻辑关系的特

点只限于一个条件。

非逻辑关系是只有对这个条件否定时结果才成立；

或是条件不具备时结果成立。

非逻辑的口诀是“有0出1，有1出0”。

2）非逻辑表达式

Y＝A（8－14）

式中“－”表示非运算，读作A非，或A反。

如果对逻辑变量做两次非运算，即“否定又否定”，可得A＝A。

3）非门电路及逻辑符号

数字电路中，实现非逻辑关系最简单的电路就是三极管反相器。

三、基本组合逻辑门

与、或、非三种逻辑门的简单组合，可以构成与非门、或非门等组合逻辑门电路。

1、与非门

与非门是与门和非门的组合。

实际应用中把与门和非门做成一块集成电路，并用图8－35表示与非门的逻辑符号，图中“0”。

表示求反，与门的逻辑表达式Y＝A×

B再求反，即得与非门的逻辑表达式：

Y＝A×

B（8－15）

根据逻辑变量A、B的四种取值，代入逻辑表达式，可得真值表。

根据真值表可得与非门的口诀是“有0出1，全1出0”。

与非门的波形图如图8－36所示。

2、或非门

或非逻辑是或逻辑和非逻辑的组合，或门的输出再反相，就组成了或非门。

它的逻辑符号如图8－37所示。

或门的逻辑表达式Y＝A＋B再求反，即得或非门逻辑表达式：

Y＝A＋B（8－16）

或非门的口诀是“有1出0，全0出1”。

四、应用举例

在控制系统中，广泛应用晶体管开关电路来担任各种各样的自动控制工作。

图8－39所示是使用集成门电路的水泵自动控制装置。

当蓄水池水位降到B点时，它启动水泵的拖动电机开始泵水，当水位升到A点时自动停止工作，直到水位又降到B点时再次启动水泵，水位保持电路由两个“与非”门电路V1和V2及一个工作在开关状态的晶体管组成。

晶体管的集电极回路接入继

电器KA，它的常开触点控制交流接触器KM。

R4为晶体管基极限流电阻，R2、R3接地。

无信号时使“与非”门V1输入端保持低电位。

电源由变压器TC次级输出交流电压，经半波整流、滤波后向集成门电路和开关晶体管供电。