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Tf1=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+++=)5sin(5)3sin(3)sin(tAtAtAvωωω10.1.3RC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 δ51t 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 13102121253p μ=⨯=⨯⨯===-f T t (3) 结论：因p 51t ≤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 15101.0105.03363pC 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 RC =(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，I O I 0V V V V I R ≈-=≠，，相当于开关闭合。

2．反向偏置时，I = 0，V R = 0，相当于开关断开。

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t re—— 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t re = 5 ns2AK系列锗二极管t re = 150 ns2．正向开通时间t on —— 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 三极管的开关作用二．饱和状态的估算1．电路如图10.2.4(a)所示。

2．定义I BS —— 基极临界饱和电流；I CS —— 集电极饱和电流，I CS = β I BS；V CES —— 集射极饱和管压降。

则cGcCESGCS RVRVVI≈-=βCSBSII=图10.2.2 二极管的开关时间图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I B > I BS ，饱和；若0 < I B δI BS ，放大；若I B δ 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t on ——从三极管输入开通信号瞬间开始至i C上升到0.9I CS所需的时间。

(2) 关闭时间t off ——从三极管输入关闭信号瞬间开始至i C降低到0.1I CS所需的时间。

图10.2.5 三极管开关电路的波形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．电路如图10.2.6所示，C S ——加速电容。

2(1)v I C S 视作短路，可提供一个很大的正向基极电流i B ，使V 迅速进入饱和状态。

随着C S 的充电，i B 逐渐减小并趋于稳定(由v I 、-V GB 、及R 1、R 2决定)，此时C S(2) v I v I 与发射极E 相连， v CS 反向加至发射结，由于C S 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C S 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1．电路 (图10.3.1) -V GB ——基极电源(可省)； V ——开关三极管； R k ，R b ——基极偏置电阻； R c —— 集电极负载电阻； +V G ——集电极电源 2．工作原理 动画 晶体管反相器 3．功能10.3.2 MOS 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，V T = 4 V 。

2．工作原理v I = 0时，v GS < v T ，V 截止，v O = v DD = 20 V ，为高电平； v I = 20 V 时，v GS > v T ，V 导通，v O = v DD - i D R D = 0.2 V ，图 10.2.6 加速电容的作用图10.3.1 晶体管反相器图10.3.2 MOS 反相器为低电平。

3．功能：反相器4．缺点为满足v O 为低电平，当V DD 、I D 一定时，由V O = V D ，I D R D ，R D 大些好；但当V O 恢复为高电平时，由于寄生电容C L 的存在，充电时间常数 τ = R D C L 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V 1————驱动管，作开关用，跨导较大； V 2————负载管，作负载用，始终工作在饱和区，跨导较小。

2．工作原理V I = V GS >V T1时，V 1导通，V O 为低电平； V I = V GS <V T1时，V 1截止，V O 为高电平；这时V 2饱和导通，等效电阻R DS 小，τ = R DS C L 小，提高了工作速度。

3．缺点：V 2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) V 1 ——N 沟道MOS 管，作驱动管。

V 2 ——P 沟道MOS 管，作负载管。