3.1

晶體管的開關特性3.1.1晶體二極管開關特性3.1.2晶體三極管開關特性SRV圖3-1-1理想開關＋－3.1.1晶體二極管開關特性理想開關的特性：(1)開關S斷開時，通過開關的電流i=0，這時開關兩端點間呈現的電阻為無窮大。(2)開關S閉合時，開關兩端的電壓v=0，這時開關兩端點間呈現的電阻為零。(3)開關S的接通或斷開動作瞬間完成。(4)上述開關特性不受其他因素（如溫度等）的影響。１．二極管穩態開關特性當外加正向電壓時，正向電流隨電壓的增加按指數規律增加。圖中Vth稱為正向開啟電壓或門限電壓，也稱為閾值電壓。iDvDVthISO圖3-1-2二極管伏安特性(a)二極管電路表示(b)二極管伏安特性iD＋－vD

穩態開關特性：電路處于相對穩定的狀態下晶體管所呈現的開關特性。二極管的伏安特性方程為：２．二極管瞬態開關特性

電路處于瞬變狀態下晶體管所呈現的開關特性。具體的說，就是晶體管在大信號作用下，由導通到截止或者由截止到導通時呈現的開關特性。理想二極管作開關時，在外加跳變電壓作用下，由導通到截止或者由截止到導通都是在瞬間完成，沒有過渡過程。DRvI＋－圖3-1-3理想二極管開關特性＋－vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF圖3-1-4二極管瞬態開關特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IF－IRtstftrrtr當t<t1時，二極管導通，導通電壓為vD≈0.6~0.7V（以硅管為例），導通電流iD=IF=(VF－vD)/R≈VF/R。當t=t1時，vI由VF突變為－VR，由于存儲電荷的存在，形成漂移電流，iD=(vI－vD)/R≈－VR/R，使存儲電荷不斷減少。從vI負跳變開始至反向電流降到0.9IR所需的時間，稱為存儲時間ts。在這段時間內，PN結維持正向偏置，反向電流IR近似不變。●存儲時間圖3-1-4二極管瞬態開關特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IF－IRtstftrrtr●經過ts時間后，反向電流使存儲電荷繼續消失，空間電荷區逐漸加寬，二極管轉為截止狀態。反向電流由IR減小至反向飽和電流值，這段時間稱為下降時間tf。通常以從0.9IR下降到0.1IR所需時間確定tf。trr=ts+tf稱為反向恢復時間。反向恢復時間是影響二極管開關速度的主要原因，是二極管開關特性的重要參數。下降時間反向恢復時間DRVREF1＋－圖3-1-5限幅電平為VREF1的串聯

下限限幅器及工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOVREF1OvOtVREF1３．二極管開關應用電路

(1)限幅電路將輸入波形的一部分傳送到輸出端，而將其余部分抑制掉。常用的有串（并）聯上限、下限和雙向限幅器。圖3-1-5中，當vI>VREF1時，二極管導通，vO≈vI；當vI<VREF1時，二極管截止，vO=VREF1。這樣就將輸入波形中瞬時電位低于VREF1的部分抑制掉，而將高于VREF1的部分波形傳送到輸出端，實現了下限限幅的功能。演示D1R2VREF2＋－＋－vI(a)＋－vOD2R1VREF1＋－A圖3-1-6串聯雙向限幅器及其工作波形(b)OvOtVREF2VAvI串聯雙向限幅器（假設VREF1<VREF2）

vI=0時，A點電位為

vI≤VA時，D1截止，D2導通，vO≈VA。實現下限限幅，限幅電平為VA。

vI≥VREF2時，D1導通，D2截止，vO≈VREF2。實現上限限幅，限幅電平為VREF2。當VA<vI<VREF2時，D1、D2均導通，輸出vO≈vI。DRVREF1＋－圖3-1-7并聯下限限幅器及其工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOOvOtVREF并聯下限限幅器D1RVREF2＋－＋－vI(a)＋－vOD2VREF1＋－圖3-1-8并聯雙向限幅電路及其工作波形(b)OvOtVREF1vIVREF2并聯雙向限幅器演示DR圖3-1-9鉗位電路及工作波形＋－vI(a)(b)OvIt＋－vOOvOtVmCVm－VmVmΔVΔVT1T2t1t2t3t4t5t6●當t=t2時，vI由Vm負跳變至0，vO則由0跳變至－Vm。在t2～t3期間，二極管截止，電容通過電阻R放電，vO緩慢上升。上升值為：當t=t3時，vI由0正跳變至Vm，vO從(－Vm+ΔV)值上跳至ΔV。之后t3～t4期間二極管導通，C很快充電至Vm，vO迅速下降至0V。此后電路工作情況周期性重復。可見，輸出波形的頂部被鉗定在0V。DR圖3-1-10鉗位電平為VREF

(－VREF)的鉗位電路＋－vI(a)＋－vOCVREF＋－DR＋－vI(b)＋－vOCVREF－＋RC＋－vI＋－vOVCCRBT圖3-1-11基本單管共射電路如圖3-1-11所示基本單管共射電路。傳輸特性是指電路的輸出電壓與輸入電壓的函數關系。基本單管共射電路的傳輸特性曲線大體上分為三個區域：截止區、放大區和飽和區。在飽和型開關電路中，穩態時，當vI=VIL時，晶體三極管穩定工作于截止狀態；當vI=VIH時，晶體三極管穩定工作于飽和狀態。S=iB/IBS稱為飽和系數，S越大，飽和深度越深。２．三極管瞬態開關特性當vI從－V跳變＋V時，晶體管不能立即導通，要經歷一段延遲時間td和一個上升時間tr，iC才能接近于最大值ICS。ton=td+tr稱為開通時間。Ot＋V－VvIOiCtOvOtontdtrtstftoff●●圖3-1-13三極管的瞬態開關特性tICS●●0.9ICS0.1ICS開通時間Ot＋V－VvIOiCtOvOtontdtrtstftoff●●圖3-1-13三極管的瞬態開關特性tICS●●0.9ICS0.1ICS關斷時間當vI從＋V跳變－V時，晶體管也不能立即截止，要經歷一段存儲時間ts和一個下降時間tf，iC才逐漸下降到0。toff=ts+tf稱為關斷時間。(1)晶體三極管由截止狀態過渡到飽和狀態的過程。可分為發射結由反偏至正偏和集電極電流形成兩個階段。12345x=0x=wNPNQBSnb(x)pc(x)QCSpe(x)圖3-1-14晶體三極管基區少子

濃度分布曲線發射結變為正偏，并逐漸形成集電極電流所需的時間，即為延遲時間td，其長短取決于晶體三極管的結構和電路工作條件。三極管結電容越小，td越短；三極管截止時反偏越大，td越長；正向驅動電流越大，td越短。發射結正偏后，集電極電流iC不斷上升，達到0.9ICS所需時間即為上升時間tr。

tr的大小也取決于晶體三極管的結構和電路工作條件。基區寬度w越小，tr也越小；基極驅動電流越大，tr也越短。RC－VBBvIvOVCCR1TCVL＋－R1R2R2－＋VBBBEVH＋－R1R2－＋VBBBE＋－VBE(sat)iBi1i2(a)(b)(c)●●●圖3-1-15晶體三極管反相器３．晶體三極管開關應用電路利用晶體三極管作開關，最常用、最基本的電路是反相器電路。當vI=VL時，可靠工作于截止狀態；vI=VH