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脉冲基础知识和反相器
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,vGS vI=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=VGS 3.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 (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 0 IB>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
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- 脉冲 基础知识 反相器