1、第14章 脉冲的基础知识和反相器,14.1 脉冲基础知识,14.2 晶体管开关特性,数字电路的基本概念,数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。,一、模拟信号与数字信号模拟信号时间连续数值也连续的信号。如速度、压力、温度等。数字信号在时间上和数值上均是离散的。如电子表的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。,有两种逻辑体制： 正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。 负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。 下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：,二、正逻辑与负逻辑,数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。,脉冲是一种跃
2、变信号,并且持续时间短暂,14.1 脉冲基础知识,14.1.1 脉冲的概念及其波形,常见的脉冲波形,14.1.2 矩形脉冲波,脉冲幅度信号变化的最大值,脉冲上升沿,脉冲下降沿,脉冲宽度,图中所示为三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。,占空比D：脉冲宽度与脉冲周期之比称为占空比，即 。,14.1.3 RC微分电路和积分电路,1. RC电路的过渡过程,（1）RC电路的充电过程,电容的充放电电路,电容器充电波形,电容充电时间表,（2）电容的放电过程：,电容器放电波形,2. RC微分电路,微分电路及其波形,微分电路的作用：是一种能够将输入矩形脉冲变换为正、负尖脉冲
3、的波形变换电路。构成微风电路的条件：（1）电路应满足时间常数 远小于输入矩形脉冲宽度tw的条件，即 =RCtw。 （2）波形从电阻两端输出,的取值：微分电路是利用电容的快速充、放电将矩形脉冲变为正、负尖脉冲的，因此必须满足 tw的条件。但 的取值也不能过小，分析表明 的取值一般要求为 ,3. RC积分电路,积分电路及输入、输出波形,积分电路是一种常用的波形变换电路，它可以把矩形脉冲变换成三角波。,积分电路的组成条件（1）电路的时间常数 远远大于输入脉冲宽度tw，即=RC tw。（2）信号从电容两端输出, 的取值：积分电路是利用电容的充、放电将矩形脉冲变为三角波的的，因此必须满足 tw的条件。但
4、 的取值也不能过大，分析表明 的取值一般要求为 （35）tw,14.1.4 脉冲分压器,脉冲分压器,在脉冲电路中，经常要把脉冲信号经过电阻分压送到下一级，由于电路中存在各种形式的电容，有的是下级电路中所固有的，有的是接线电容或寄生电容。这样，在负载上好像并联了一个电容Co，如图14.9所示。,为了克服Co对脉冲分压器输出波形的影响，常在R1两端并联C1，要使输出电压不失真，必须使R1C1R2Co,补偿电容C1对输出脉冲波形的影响,14.2 晶体管开关特性,(1)加正向电压UF时，二极管导通，管压降UD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。,14.2.1 晶体二极管的开关特性及其应用,1. 二极管
5、的开关特性,可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压ui控制的开关。当外加电压ui为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。,(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。,二极管在状态转换时需要一定的时间，即开关时间。二极管的开关时间主要决定于二极管从导通到截止的时间，即反向恢复时间。测试表明，一般二极管的反向恢复时间在纳秒（ns）数量级（1ns=109s）。例如，2CK系列硅开关二极管的开关时间为5ns，2AK系列锗开关二极管的开关时间是150ns。,2. 二极管限幅器,（1）串联限幅
6、器,（2）并联限幅器,14.2.2 晶体三极管的开关特性及其应用,1. 晶体三极管的开关特性,（1）截止状态：当uI小于三极管发射结死区电压时，IBICBO0， ICICEO0，uCEVCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压,此时，若调节Rb，则IB，IC，uCE，工作点沿着负载线由A点B点C点D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区， 其特点为ICIB。 三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏,（2）放大状态：当uI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有,再减小Rb，IB会继续增加，但IC不会再增加，三极管进入饱和状
7、态。饱和时的uCE电压称为饱和压降uCES，其典型值为：UCES0.3V。 三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB IBS 电压条件为：集电结和发射结均正偏,（3）饱和状态：uI不变，继续减小Rb，当uCE 0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应E点。此时的集电极电流用ICS表示，基极电流用IBS表示，有:,三种工作状态比较,发射结电压死区电压,发射结正偏集电结反偏,发射结正偏集电结正偏,很大相当开关断开,可变,很小相当开关闭合,b,c,e,0.7V,I,B,I,C,IB,解： 根据饱和条件IBIBS解题。,例1.4.1 电路及参数如图所示，设输入电压UI=3V，三极管的UBE=0
8、.7V。（1）若60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和UO的值。,（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。,IBIBS 三极管饱和。,IB不变，仍为0.023mA,IBIBS 三极管处在放大状态。,（3）将RC改为6.8kW，再将Rb改为60kW，重复以上计算。,由此可见，Rb 、RC 、等参数都能决定三极管是否饱和。,即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。,IBS0.029 mA,IBIBS 三极管饱和。,饱和条件可写为：,三极管的动态特性,（1）延迟时间td从v
9、i正跳变的瞬间开始，到iC上升到 0.1ICS所需的时间 （2）上升时间triC从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。（3）存储时间ts从vi下跳变的瞬间开始，到iC下降到0.9ICS所需的时间。（4）下降时间tfC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。,开通时间ton= td +tr关断时间toff= ts +tf,2. 利用加速电容减小开关时间,为了提高开关速度，应设法减小开关时间，除选用开关时间短的三极管开关外，还可以在电路上采取措施提高开关速度。,加速电容的作用,14.2.3 晶体管反相器,反相器是脉冲电路中一种最基本而又常用的电路，是组成其他脉冲单元电路的基础。,反相器电
10、路及波形,反相器的功能是低电平输入，高电平输出；高电平输入，低电平输出。输出和输入波形的相位相反，所以，电路称为反相器。,本章小结,（1）瞬间突然变化且作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号，简称脉冲。脉冲波有多种形状，最常见的是矩形波。它的主要参数有幅度、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度、脉冲周期和频率。矩形波含有众多的谐波成分，所以又称为多谐波。（2）RC电路是脉冲电路的基础，利用RC电路过渡过程的规律可以对脉冲波进行变形。RC微分电路（ tw, uO从R两端输出），当输入矩形脉冲时，输出为正、负尖脉冲；RC积分电路（ tw, uO从C两端输出），当输入矩形脉冲时，输出近似三角波形。（3）为避免脉冲分压器输出端寄生电容引起脉冲波形的失真，应在脉冲分压器电路中加入补偿电容器（有时又称为加速电容）。,（4）晶体二极管作为开关器件时，它的开通时间（由截止状态转为导通状态的时间）比反向恢复时间（由导通状态转向截止状态的时间）要短得多，因而二极管开关速度主要取决于反向恢复时间。（5）晶体三极管作为开关器件，有开通时间（由截止状态转向饱和状态的时间）和关闭时间（由饱和状态转为截止状态的时间），它们限制了三极管的开关速度。为了提高三极管和开关速度，可采用连接加速电容的办法。（6）反相器是脉冲数字电路的基础。它有普通晶体管反相器和MOS反相器两大类。,
