脉冲基础知识

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

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

+

+

+

=)

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 δ5

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 15101.0105.0336

3p

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

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 ns

2AK系列锗二极管t re = 150 ns

2．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

c

G

c

CES

G

CS R

V

R

V

V

I≈

-

=

β

CS

BS

I

I=

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

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。 (2) 栅极相连接输入，漏极相连接输出。 (3) TN TP DD V V V +> 3．工作原理

(1) v I = 0 (低电平) ,v GS1 < v TN ，V 1截止；但 |v GS2| > |v TP | ，V 2导通，v O 为高电平。 (2) v I = 1 (高电平) ,v GS1 > v TN ，V 1导通；但 |v GS2| < |v TP |，V 2截止，

v

O 为低电平。 4．功能：反相器

5．优点

(1) 无论输出高、低电平，均有一管导通，充放电时间常数 τ 小，工作速度快；

图10.3.3 用场效应管作负载的反相器

图10.3.4 CMOS 反相器

(2) V 1、V 2必有一个截止，功耗低。

本章小结

本章开始讨论脉冲数字电路，脉冲数字电路与模拟电路的主要区别参见下表：

模拟电路与数字电路的对比表

一、基本概念

1．脉冲信号：瞬间变化的作用时间极短的电压或电流信号。最常用的脉冲波形为矩形波 2．脉冲的主要参数：

① 脉冲幅度；② 上升时间；③ 下降时间；④ 脉冲宽度；⑤ 脉冲周期和频率。 二、RC 电路

1．为脉冲电路的基础，利用其过渡过程可实现脉冲波形变换；最常用的RC 电路为微分和积分电路。

2．微分电路与积分电路的比较

3．脉冲分压器

电路需加补偿电容，以补偿电路寄生电容引起的失真，其最佳值

O 1

2

I C R R C =

三、晶体管开关特性

1．在脉冲数字电路中，晶体二、三极管作开关使用。

2．二极管开关速度主要取决于反向恢复时间。

3．三极管作开关使用存在着开通时间和关闭时间，为提高开关速度，可接加速电容。

四、反相器

1．地位：为脉冲数字电路的基本部件。

2．功能：v I为低，v O为高；v I为高，v O为低；其真值表：

3．种类

(1)晶体管反相器

判断三极管工作状态的条件NPN管

(2) MOS反相器

①简单反相器

②用MOS管作负载的反相器

③CMOS反相器

几种反相器比较