晶体三极管开关特性

e
1 b 1 2 2 BB
VBB +
−
三极管截止条件：V be≤0
−
e
VCC E VBB VCC 即： − 三极管一定饱和。 IbS = = ≥ R1 R2 βRC β βRC
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。 输出振幅比较大，饱和时 VO ≈ 0 。 截止时，VO ≈ VCC 。 反相器的优点： 反相器的优点： 三极管饱和时，V c e s = 0.3V 所以功耗小。 ICS 对β的一致性要求底，只要满足 ib ≥
I B 2 = 80uA
饱和区
5 4 3 2 1 0
放大区——iC平行于vCE轴的区域，
曲线基本平行等距。 发射结正偏， 此时，发射结正偏，集 发射结正偏 电结反偏，电压大于 电结反偏 0.7 V左右(硅管) 。
放大区B1 = 40uA I
I B = 0 截止区 VCE / V 6 8
2
4
I C / mA
1
4
3
分析输入信号由： 分析输入信号由： 0 希望基极驱动电流i b 1很大，加速三 极管由截止向饱和转变，缩短上升时间 t r ，减少延迟时间，提高工作速度。
正偏
1
N
ib1 P
虽然i b1增加带来td、 t r 减小。同 N 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 后小不过分饱和。 立，后小不过分饱和。
CES
当：Vi = VIH
T饱和，CO 放电 τ= r 饱和， 放电,τ
当：Vi 从
T由饱和变为截至，由于电容上的电压不 由饱和变为截至， 由饱和变为截至 能突变，又以大时常数RC 充电， 能突变，又以大时常数 O充电，充电速 度比较慢。当充至V 导通。 度比较慢。当充至 O≥VCL,DCL导通。VO被 钳位于V 钳位于 CL
CMAX CMAX
Vb 2
t
td t r
ts
ton
toff
tf
t
用基区电荷分布图说明 电子浓度
1
当输入 0 三极管由截止进入饱和过程： 发射结由：反偏→正偏所需时间 td 发射结正偏后： 发射结正偏后： 正向偏压 基极驱动电流 由小到大变化 发射区扩散到基区电子数 集电极收集的电子数
临饱 放大
4
3
VCC C1 R1 R2 -VBB CO RC VCL DCL
当：Vi = VIL
VO
VI
T 止，DCL导，VO=VCL 负载变化，稳定输出。 负载变化，稳定输出。 VCC以τ＝RCCO向CO充电 CO 由于R 快速放电。 由于 C » r CES CO 快速放电。 DCL对下降沿影响小。 对下降沿影响小。
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受两端电压极性控制。 控制。 三极管开关的通断是受基极 I C / mA
B
饱和区
5 4 3 2 1 0
I B 2 = 80uA
E E
放大区B1 = 40uA I
I B = 0 截止区 VCE / V 6 8
b c
+ VBES + VCES -
b
c
硅管 0.7V 锗管 0.3V
硅管 0.3V 锗管 0.1V
e
e
不考虑管压降时的等效电路
等效于开关闭合
I C / mA
饱和区 三极管工作在截止区， IB=0曲线以下。 三极管截止条件： 三极管截止条件： 发射结、集电结均反偏。 VBE≤0 VBC<0
5 4 3 2 1 0
2
正偏
1
N
P
N 当基区的电子浓度增加到 4 时： 集电极电流达到临界饱和：ICS 基区中电子积累所需时间：t r
电子浓度 深饱 临饱 放大
2
5
继续增加： 当i b继续增加： 发射结发射有余 发射有余， IB≥IBS 时，发射结发射有余，集 电极收集不足 过剩电子在基区积累， 收集不足。 电极收集不足。过剩电子在基区积累， 4→5。 如 4→5。这段时间就是存储时间 t s
VCC RC
20uA
VCE / V
首先求出基极电流
ib = ?
然后求出临界饱和时基极电流： Ibs = ?
ib ≥ Ibs ib 〈Ibs Vbe ≤ 0
三极管工作在饱和状态，大的越 大的越 饱和的越深。 多，饱和的越深。 三极管工作在放大状态 三极管工作在截止状态
理想情况下：（饱和、截止动作瞬时完成） Vi = －Vb1时：T 截止 Vi = ＋Vb2时：T 饱和
ic / mA
120uA 100uA
80uA 60uA 40uA
当Vi < 0 时： 三极管截止，工作在特性曲线A点。 当 i b＝60μA时 i C = βi b =50X60=3mA V 6 ICS = CC = = 3mA T 临界饱和 RC 2K 当i b>60μA时 i C 几乎不变。三极管进入饱和区。 V 饱和时集电极电流： ICS = CC RC I V Ibs = cs = CC 临界饱和时基极电流： β βRC
反相器负载有两种情况： 流进反相器的电流叫灌流负载。记做 i OI 灌流负载。 灌流负载 流出反相器的电流叫拉流负载。记做 i op 拉流负载。 拉流负载 如何衡量反相器带负载能力？ 如何衡量反相器带负载能力？ 反相器在正常工作条件下： 饱和状态：VO = 0.3V,反相器所允许最大灌 电流IOCM是多少？ I 截止状态：VO = V CL，反相器所允许最大拉 电流IOPM是多少？ I
2
4
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vCE＜0.7V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 发射结正偏，集电结正偏
截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。
I C / mA
此时，发射结反偏，集电结反偏。 发射结反偏，集电结反偏 发射结反偏
1
当输入 电子浓度 深饱 临饱 放大
2
5
0
三极管由饱和进入截止过程： 三极管由饱和进入截止过程：
ib2
4
3
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。5→4区间中 深饱和→ 电子积累从深饱和→浅饱和→临界饱和 深饱和 浅饱和→ 放大→截止。 →放大→截止。 1 分析输入信号由： 分析输入信号由：
2
4
基极电流IB对集电极电流IC有很强的控制作用,IC=βIB。 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ΔIB，IC就有很大的变化量ΔIC。
I C / mA
饱和区 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：
R1
vi
E 0
R1 R2 -VBB
vo
b
R2
希望T截止 希望 截止 先假设T止再 先假设 止再 看是否止
Vbe =
−VBB ⋅ R1 R1 + R2
≤ - 1V
当V i = E 时：
希望T饱和， 希望 饱和， 饱和 先假设T饱和再 先假设 饱和再 E 判是否饱和
+
令：V be≤－1V T 可靠截止 画饱和等效电路 R i b E VBB ib = i1 − i2 = − i i R R1 R2 − V 三极管截止条件：i b ≥ IBS +
VCC ic RC
iC = 0 VCC ic max = RC
vi
RB ib
vo
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 Vb 2 0 Vb1 t
iC
iCMAX
0 t
VCC ic RC RB
ICS
β
常用方法： 常用方法： 采用加速电容，增加钳位二极管。 反相器的基本功能是将输入信号反相输出， 采用加速电容，增加钳位二极管。 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、 VCL:钳位电压， VCL< VCC 钳位电压， 钳位电压 分布电容及寄生电容的影响，使输出波形产生一定畸变， 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 DCL：钳位二极管。 钳位二极管。 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。 CO :输出端分布电容及负载电容之和。 输出端分布电容及负载电容之和。 输出端分布电容及负载电容之和
t
0
t
VCC C1 RC
那么如何保证三极管可靠工作？ R1、R2、外加负偏压－VBB及Vi 外加负偏压－ 就依靠合理选择基极偏置电阻来保证。 共同决定三极管工作状态， 共同决定三极管工作状态，保证三极 （设计问题） 管在开关方波的作用下可靠工作于饱 截止两种状态。 当Vi = 0 时： 画截止等效电路 和、截止两种状态。
0
正偏
1
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转变。
N
同样i 增加带来t 减小。 增加。 同样i b2增加带来 f 减小。同时也会使 t d 增加。即：三极管截止 反偏电压越大，转向正偏时间越长。因此， 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，而是前大后小 前大快速驱散，后小不过分截止。 前大后小， 常数，而是前大后小，前大快速驱散，后小不过分截止。
5 4 3
I B 2 = 80uA
2 1
0
放大区B1 = 40uA I
I B = 0 截止区 VCE / V 6 8
2
4
发射结正偏：VBE > 0,VB > VE 集电结正偏：VBC > 0,VB > VC
i b ≥ IBS
基极电位高于发射级、集电极电位。
I C / mA 三极管饱和特点： 三极管饱和特点： 饱和区 当VCE减少到一定程度后， 5 I B 2 = 80uA 集电结收集载流子的能力减弱， 4 发射有余， 造成发射结“发射有余 ， 集电 3 发射有余 放大区B1 = 40uA I 结收集不足”，集电极电流IC不 2 结收集不足 再服从IC=βIB的规律。 1 I B = 0 截止区 VCE / V 三极管饱和时的等效电路： 0 三极管饱和时的等效电路： 6 8 4 2
发射结(be结 集电结(bc (bc结 发射结(be结) 集电结(bc结) (be
工作状态
正偏 正偏 反偏 反偏
反偏 正偏 反偏 正偏
放大状态 饱和状态 截止状态 倒置状态
VCC=6V ic RB RC 2KΩ β=50
vo
vi
-1V
ib
+3V
根据VCC和RC值， 根据 在输出特性曲线上画 一条负载线。 一条负载线。
饱和区 三极管工作在放大区。 三极管放大条件： 三极管放大条件：
5 4 3
I B 2 = 80uA
发射结正偏：VBE > 0,VB > VE
集电结反偏：VBC < 0,VB < VC 放大特点： 放大特点：
三极管有放大能力，i c ＝βi b
2 1
0
放大区B1 = 40uA I
I B = 0 截止区 VCE / V 6 8
实际情况下： Vi = - Vb1 时：T 截止 i b ≈ 0 i c≈ vi ib 0 输入由－V 上跳到＋V ,T由止→放大→饱和。
b2 b1
vo
输入由＋Vb2下跳到-Vb1,由饱和→放大→止。 VI 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 0 上升时间: i c 由0.1 i c max上升到0.9 i c max Vb1 iC 存储时间: i c 由 I c max下降到0.9 i c max iCMAX 下降时间:i c 由0.9 i c max下降到0.1 i c max 0.9i T由截止→导通需要的时间：tON =td+tr0.1i 由截止→ 由截止 导通需要的时间： 由导通→截止需要的时间： T由导通→截止需要的时间：tOff=ts+tf 0
I B 2 = 80uA
放大区B1 = 40uA I
I B = 0 截止区 VCE / V 6 8
b c
2
4
IB ≈ 0、IC ≈ 0、VC = VCC
三极管相当于开路 等效于开关断开
三极管截止等效电路：
e
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PN结四种偏置方式组合 三极管PN结四种偏置方式组合 PN
P
N
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。
C1
VCC RC
vo
vi
RS
R1
这样一个前大后小的基极驱动电 Vi 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 0 ib 加速电容。 电容叫做加速电容 加速电容