第10章 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

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。

图10.1.1 常见脉冲波形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10.1.2 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V m ——脉冲电压变化的最大值。

(2)上升时间t r ——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t f ——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t p —— 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

T

f

1

=

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

Λ

+

+

+

=)

5

sin(

5

)

3

sin(

3

)

sin(

t

A

t

A

t

A

vω

ω

ω

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。

图10.1.4 三个不同频率的正弦波合成

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；τ 越小，充放电越快。

实验证明：

当t = 0.7τ 时，充电电压为V G的一半；放电电压为电容器两端电压V C的一半；

当t = (3 ~ 5)τ 时，充放电过程

基本结束(如图10.1.5所示)。

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

(1)输出信号取自RC电路中

的电阻R两端。即v O= v R；

(2)时间常数τ << t p，通常取τ δ

5

1

t p；

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10.1.8 RC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) v O取自RC电路的电容C两端。即v O = v C；

(2) τ >> t p，通常τ ε 3t p；

(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

图10.1.6 RC微分电路

3．工作原理

t ε t 1,v I = V m ,C 充电，v O = v C 以指数规律缓慢(τ >> t p )上升； t ε t 2,v I = 0,C 放电，v O = v C 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。

[例10.1.1] RC 电路中，R = 20 k Ω，C = 200 pF ，若输入f = 10 kHz 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 ⨯ 10-12s = 4 ⨯ 10-6 s = 4 µs (2) 求方波的脉冲宽度

s 50s 105s 13

10212125

3p μ=⨯=⨯⨯===

-f T t (3) 结论：因p 5

1t ≤τ，所以是微分电路。 [例10.1.2] RC 电路中，若C = 0.1 μF ，输入脉冲宽度t p = 0.5 ms ，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τ = RC ε3t p

则 Ω=⨯⨯⨯=≥--k 1510

1.0105.03363p

C t R 即 R ε15 k Ω 所以R 值至少为15 k Ω。

10.1.4 RC 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C 0)，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：R 1两端并联一补偿电容C 1。C 1最佳值为

0121C R R

C =

(3) 结论

C 1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10.1.12 脉冲分压器

图10.1.11 寄生电容C o 使

输出脉冲失真