《电子技术基础》电子教案10.docx
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《电子技术基础》电子教案10
第10章脉冲基础知识和反相器
教学重点
1.了解脉冲的基本概念与主要参数。
2.理解微分电路、积分电路、脉冲分压器的基本原理,掌握微、积分电路工作条件和作用。
3.了解二极管、三极管的开关特性及其应用。
4.理解反相器的工作原理。
教学难点
1.RC电路的过渡过程。
2.三极管开关作用。
3.MOS管反相器的工作原理。
学时分配
序号
内容
学时
1
10.1脉冲基础知识
3
2
10.2晶体管开关特性
1
3
10.3反相器
1.5
4
本章小结与习题
0.5
5
本章总学时
6
10.1脉冲基础知识
图10.1.1常见脉冲波形
10.1.1脉冲的概念及其波形
1.脉冲的概念
脉冲技术是电子技术的重要组成部分,应用广泛。
动画脉冲的概念
脉冲:
含有瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号,简称为脉冲。
2.常见的几种脉冲波形如图10.1.1所示。
10.1.2矩形脉冲波
1.矩形脉冲波的主要参数
脉冲技术最常用的波形是矩形波、方波。
理想的矩形波如图10.1.2所示:
上升沿、下降沿陡直;顶部平坦。
图10.1.4三个不同频率的正弦波合成
图10.1.2理想的矩形波波形图10.1.3实际的矩形波波形
实际的矩形波波形如图10.1.3所示。
主要参数:
(1)幅度Vm——脉冲电压变化的最大值。
(2)上升时间tr——脉冲从幅度的10%处上升到幅度的90%处所需时间。
(3)下降时间tf——脉冲从幅度的90%处下降到幅度的10%处所需的时间。
(4)脉冲宽度tp——定义为前沿和后沿幅度为50%处的宽度。
(5)脉冲周期T——对周期性脉冲,相邻两脉冲波对应点间相隔的时间。
周期的倒数为脉冲的频率f,即
2.矩形波的分解
如图10.1.4所示。
矩形波可由基波和多次谐波叠加而成。
基波的频率与矩形波相同,谐波的频率为基波的整数倍。
矩形波的数学表达式为
10.1.3RC微分电路和积分电路
一、RC电路的过渡过程
1.RC电路:
电阻R和电容器C构成的简单电路。
是脉冲电路的基础。
2.特点:
由于C两端电压不能突变,所以在充、放电时必须经历一个过渡过程。
3.RC电路的充放电过程
动画RC充放电
4.结论
(1)充放电时电容两端电压、电流呈指数规律变化。
(2)充放电的速度与时间常数τ有关,τ=R⨯C,单位为s。
τ越大,充放电越慢;越小,充放电越快。
实验证明:
当t=0.7τ时,充电电压为VG的一半;放电电压为电容器两端电压VC的一半;
当t=(3~5)时,充放电过程基本结束(如图10.1.5所示)。
(a)充电电压波形式(b)放电电压波形
图10.1.5电容器充放电波形
5.RC电路的主要应用:
波形变换。
常用电路有微分电路、积分电路。
二、RC微分电路
1.电路组成如图10.1.6所示。
2.电路特点
图10.1.6RC微分电路
(1)输出信号取自RC电路中的电阻R两端。
即vO=vR;
(2)时间常数τ<tp;
3.工作原理
动画RC微分电路
4.电路功能
将矩形波变换成尖峰波,检出电路的变化量。
如图10.1.7所示。
图10.1.7微分电路波形图图10.1.8RC积分电路
三、RC积分电路
1.电路组成如图10.1.8所示
2.电路特点
(1)vO取自RC电路的电容C两端。
即vO=vC;
(2)τ>>tp,通常τ≥3tp;
3.工作原理
t≥t1,vI=Vm,C充电,vO=vC以指数规律缓慢(τ>>tp)上升;
t≥t2,vI=0,C放电,vO=vC以指数规律下降;
4.功能:
将矩形波转换成锯齿波(三角波)。
5.应用
(1)应用“积分延时”现象,把跳变电压“延缓”;
(2)从宽窄不同的脉冲串中,把宽脉冲选出来。
图10.1.11寄生电容Co使
输出脉冲失真
[例10.1.1]RC电路中,R=20k,C=200pF,若输入f=10kHz的连续方波,问此RC电路是微分电路,还是一般阻容耦合电路?
解
(1)求电路时间常数
τ=RC=20⨯103⨯200⨯1012s=4⨯106s=4µs
(2)求方波的脉冲宽度
图10.1.12脉冲分压器
(3)结论:
因
,所以是微分电路。
[例10.1.2]RC电路中,若C=0.1F,输入脉冲宽度tp=0.5ms,要构成积分电路,电阻R至少应为多少?
解构成积分电路必须=RC≥3tp
则
即R≥15k
所以R值至少为15k。
10.1.4RC脉冲分压器
1.问题的提出
在低频放大器中,信号的衰减常用电阻分压器来实现;在脉冲电路中,若采用电阻分压器,由于存在分布电容和负载电容(统称寄生电容C0),传输脉冲信号就会产生失真。
如图10.1.11所示。
2.解决办法——采用脉冲分压器
(1)电路如图10.1.12所示。
(2)特点:
R1两端并联一补偿电容C1。
C1最佳值为
(3)结论
C1要适当:
过小,欠补偿;过大,过补偿。
补偿电容对输出波形的影响如图10.1.13所示。
图10.1.13补偿电容对输出脉冲波形的影响
10.2晶体管开关特性
在脉冲电路中,二极管和三极管通常作为“开关”使用。
10.2.1二极管的开关特性
一、二极管的开关作用
二极管的开关作用如图10.2.1所示。
(a)正偏时相当于开关闭合
(b)反偏时相当于开关断开
图10.2.1二极管的开关特性
1.正向偏置时,
,相当于开关闭合。
2.反向偏置时,I=0,VR=0,相当于开关断开。
图10.2.2二极管的开关时间
二、二极管的开关时间
二极管的开关时间如图10.2.2所示。
1.反向恢复时间tre——二极管反偏时,从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止状态所需的时间。
例如2CK系列硅二极管tre=5ns
2AK系列锗二极管tre=150ns
2.正向开通时间ton——二极管正偏时,从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通状态所需的时间。
实验证明二极管正向开通时间远小于反向恢复时间,通常因为它对二极管开关速度的影响很小,可以忽略不计。
所以,二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定。
10.2.2三极管的开关特性
一、三极管开关作用
动画三极管开关作用
结论:
三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。
截止时,相当于开关“断开”;等效电路:
如图10.2.3(a)所示。
饱和时,相当于开关“闭合”。
等效电路:
如图10.2.3(b)所示。
图10.2.3三极管的开关作用
图10.2.3三极管的开关作用
二.饱和状态的估算
1.电路如图10.2.4(a)所示。
2.定义
IBS——基极临界饱和电流;
ICS——集电极饱和电流,ICS=IBS;
VCES——集射极饱和管压降。
则
图10.2.4三极管的开关工作状态
3.判断三极管状态的条件
若IB>IBS,饱和;
若0若IB≤0,截止。
三、三极管三种工作状态(见表10.2.1)
表10.2.1三极管截止、放大、饱和工作状态特点
工作状态
截止
放大
饱和
条件
iB≈0
工作特点
偏置情况
发射结和集电结
均为反偏
发射结正偏
集电结反偏
发射结和集电结均正偏
集电极电流
iC≈0
iC≈iB
且不随iB增加而增加
管压降
VCEO≈VG
VCE=VG-iCRc
VCES≈0.3V(硅管)
VCES≈0.1V(锗管)
c、e间等效电阻
很大,约为数百千欧,
相当于开关断开
可变
很小,约为数百欧姆,
相当于开关闭合
图10.2.5三极管开关电路的波形
四、三极管开关时间
1.开关时间:
三极管在截止状态和饱和状态之间转换所需的时间(如图10.2.5所示)。
包括:
(1)开通时间ton——从三极管输入开通信号瞬间开始至iC上升到0.9ICS所需的时间。
(2)关闭时间toff——从三极管输入关闭信号瞬间开始至iC降低到0.1ICS所需的时间。
2.减少三极管开关时间的办法:
接加速电容。
10.2.3加速电容的作用
1.电路
图10.2.6加速电容的作用
如图10.2.6所示,CS——加速电容。
2.原理
(1)vI时,CS视作短路,可提供一个很大的正向基极电流iB,使V迅速进入饱和状态。
随着CS的充电,iB逐渐减小并趋于稳定(由vI、-VGB、及R1、R2决定),此时CS相当于开路。
(2)vI时,vI与发射极E相连,vCS反向加至发射结,由于CS的放电作用,形成很大的反向基极电流,使V迅速截止。
可见,由于CS的存在,加快了晶体管的开关速度。
10.3反相器
10.3.1晶体管反相器
图10.3.1晶体管反相器
1.电路(图10.3.1)
-VGB——基极电源(可省);
V——开关三极管;
Rk,Rb——基极偏置电阻;
Rc——集电极负载电阻;
+VG——集电极电源
2.工作原理
动画晶体管反相器
3.功能
vI
反相器
vO
低电平
高电平
高电平
低电平
图10.3.2MOS反相器
10.3.2MOS反相器
一、简单的MOS反相器
1.电路如图10.3.2所示。
V为N沟道增强型场效应管,VT=4V。
2.工作原理
vI=0时,vGSvI=20V时,vGS>vT,V导通,vO=vDD-iDRD=0.2V,为低电平。
3.功能:
反相器
vI
vO
低
高
高
低
4.缺点
图10.3.3用场效应管作负载的反相器
为满足vO为低电平,当VDD、ID一定时,由VO=VD,IDRD,RD大些好;但当VO恢复为高电平时,由于寄生电容CL的存在,充电时间常数τ=RDCL就很大,波形失真且影响工作速度。
解决办法——采用MOS管作负载。
二、用MOS管作负载的MOS反相器
1.电路
V1————驱动管,作开关用,跨导较大;
V2————负载管,作负载用,始终工作在饱和区,跨导较小。
2.工作原理
VI=VGS>VT1时,V1导通,VO为低电平;
图10.3.4CMOS反相器
VI=VGS3.缺点:
V2始终导通,功耗大,不利于集成,解决办法——CMOS反相器。
三、CMOS反相器
1.电路如图10.3.4所示。
用N沟道和P沟道MOS管联合组成反相器。
2.特点
(1)V1——N沟道MOS管,作驱动管。
V2——P沟道MOS管,作负载管。
(2)栅极相连接输入,漏极相连接输出。
(3)
3.工作原理
(1)vI=0(低电平),vGS1|vTP|,V2导通,vO为高电平。
(2)vI=1(高电平),vGS1>vTN,V1导通;但|vGS2|<|vTP|,V2截止,vO为低电平。
4.功能:
反相器
vI
vO
0
1
1
0
5.优点
(1)无论输出高、低电平,均有一管导通,充放电时间常数τ小,工作速度快;
(2)V1、V2必有一个截止,功耗低。
本章小结
本章开始讨论脉冲数字电路,脉冲数字电路与模拟电路的主要区别参见下表:
模拟电路与数字电路的对比表
内容
处理对象
典型信号
任务
分析方法
器件工作的
区域
基本电路
模拟电路
模拟信号
正弦波
不失真
地放大
图解法、
微变等效电路
放大区
电压放大
功率放大
数字电路
数字信号
矩形波
逻辑实现功能
逻辑代数
截止区
饱和区
组合电路
时序电路
一、基本概念
1.脉冲信号:
瞬间变化的作用时间极短的电压或电流信号。
最常用的脉冲波形为矩形波
2.脉冲的主要参数:
①脉冲幅度;②上升时间;③下降时间;④脉冲宽度;⑤脉冲周期和频率。
二、RC电路
1.为脉冲电路的基础,利用其过渡过程可实现脉冲波形变换;最常用的RC电路为微分和积分电路。
2.微分电路与积分电路的比较
RC电路
电路
特点
条件
输出
功能
RC微分电路
vO从R输出
τ<(τ≤0.2tp)
尖脉冲
突出变化量,压低
恒定量
RC积分电路
vO从C输出
τ>>tp
(τ≥3tp)
三角波
突出恒定量,压低
变化量
3.脉冲分压器
电路需加补偿电容,以补偿电路寄生电容引起的失真,其最佳值
三、晶体管开关特性
1.在脉冲数字电路中,晶体二、三极管作开关使用。
2.二极管开关速度主要取决于反向恢复时间。
3.三极管作开关使用存在着开通时间和关闭时间,为提高开关速度,可接加速电容。
四、反相器
1.地位:
为脉冲数字电路的基本部件。
2.功能:
vI为低,vO为高;vI为高,vO为低;其真值表:
vI
vO
0
1
1
0
3.种类
(1)晶体管反相器
判断三极管工作状态的条件NPN管
截止
放大
饱和
电流条件
IB≤0
0IB>IBS=ICS/
偏置条件
VBE<0VBC<0
VBE>VTVBC<0
VBE>0.7V(Si)VBC>0
VBE>0.3V(Ge)
(2)MOS反相器
①简单反相器
②用MOS管作负载的反相器
③CMOS反相器
几种反相器比较
反相器
电路特点
优点
缺点
晶体管反相器
为分立元件反相器,提
高输入端抗干扰能力,
基极需另接电源
电路简单,可靠
体积大,功耗大
MOS反相器
MOS管为驱动器,
负载电阻较大
耗电比晶体管反相器省
速度低
MOS管作负载
负载为MOS管,跨导较小
速度较高
负载管一直导通,
功耗较大
CMOS反相器
NMOS管与PMOS管互补
速度快,功耗低,易集成