三极管的开关特性
晶体三极管的开关特性(精)
• •
静态特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两 种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由 栅源电压UGS决定其工作状态。图为由NMOS增强 型管构成的开关电路。
当UGS小于NMOS管的启动电 压UT时，MOS管工作在截 止区， iDS基本为0，输出 电压UDS ≈ UDD，MOS管处 于“断开”状态，其等效 电路为如右。
三极管动态特性Ⅱ
• 从左图可知波形起始部分和平顶部分都延 迟了一段时间,上升和下降沿都变得缓慢了。 为了对三极管的瞬态过程进行定量描述， 通常引入以下几个参数来表征：
– 延迟时间td——从+ VB2加入到集电极电流ic 上升到0.1ICS所需时间； – 上升时间tr ——ic从0.1ICS上升到0.9ICS所需 时间; – 存储时间ts ——从输入信号降到-VB2到ic降到 0.9ICS所需时间; – 下降时间tf ——从ic从0.9ICS 下降到0.1ICS所 需时间。
uB<0
uB<0 IB ≥ IBS IBS ICS 1β
ICS = (uCC -uCES)/ RC
ui ui 为高电平 为低电平 ui ui 为低电平 为高电平
动态特性 MOS管在导通与截止状态发生转换 时同样存在过渡过程但其动态特性 主要取决于与电路有关的杂散电容 充、放电所需的时间，而管子本身 导通和截止时电荷积累和消散的时 间是很小的。下面给出了MOS管组 成的电路及其动态特性示意图。
MOS管动态特性Ⅰ
• 当输入电压ui由高变低， MOS管由 导通状态转换为截止状态时，电源 UDD通过RDD向杂散电容CL充电，充 u i 电时间常数τ1 = RDD CL 。所以，输 出电压uo要通过一定延时才能由低 电平变为高电平；
二极管、三极管的开关特性
当Vi < VON时，be间不导通，没 有 IB ，也没有IC。截止。
所以输出电压VO = VCC。 相当于C-E间断开。
VO VCC I C RC VCC RC Vi RB
Vi ↑，VO ↓ 这是放大状态。
VCC RC IC
VO VCC I C RC VCC RC Vi RB
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
F 0 0 0 1
与逻辑运算符，也有用“”、 逻辑符号 逻辑表达式 “∧”、“∩”、“ &”表示
F= A B = AB
A
B
F
或逻辑
只有决定某一事件的有一个或一个以上具 备，这一事件才能发生
或逻辑真值表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 0 1 1 1 逻辑符号 A 1 B
vO
RC RC
iC
vI
iB
•iB > IBS :饱和， •iB < IBS :不饱和——放大
I BS
VCC VCE (sat )
RC
VCC RC
方法2: 假设放大，验证是否正确？
（计算VCE值： VCE >0.3V,放大；否则饱和。）
例1：试判断三极管T处在什么状态;
10V 50kΩ 6V
二、三极管的开关特性
三极管由 两个PN 结组成，有PNP和NPN两种形式。
c
c
P b
b
N
N
e c b
e
c N b e
P P
e
VCC RC IC
当Vi > VON时，be间导通， 有 IB 流过。 VO
这样就有IC流过。
三极管的开关特性
三极管的开关特性在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。
三极管工作在饱和状态时，其UCES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，IC≈0，相当于开关的断开状态，因此，三极管可当做开关器件使用。
结型场效应管场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。
场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。
与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。
图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。
它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。
在形成PN结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大二、工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。
下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。
电路如图Z0123所示。
由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。
漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1．栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS＝0）在图Z0123所示电路中，UGS ＜0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。
若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。
晶体三极管开关特性
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
二极管、三极管的开关特性
C断，F灭
断“0”
合“1” 亮“1”
灭“0”
A 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
C 0 1 0 1 0 1 0 1
F 0 0 0 1 0 1 0 1
逻辑函数式
F =（A+B）C
二极管构成的与门
A 0 0 1 1 二极管构成的或门 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 1 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 0 0 1
VO
c
RB b Vi N N P
0 VCC RC Vi RB
IC ≠β IB 这时候三极管进入饱和状态。 此时输出电压VO接近于 0。
IB
e
相当于C-E间直通。 实际的三极管在饱和状态下CE间是有一定电压的， 一般为 0.2V，这个电压称为三极管的饱和电压。
（1）截止
c b
（2）饱和
c b 0.7V
F
或逻辑运算符，也有 N个输入： 用“∨”、“∪”表 逻辑表达式 示 F= A + B+ ...+
F= A + B
N
非逻辑
当决定某一事件的条件满足时，事件不发 生；反之事件发生，
非逻辑真值表 A F 0 1 1 0
逻辑表达式
“-”非逻辑运算符
F= A
逻辑符号 1 A
F
三、复合逻辑运算 与非逻辑运算 或非逻辑运算 与或非逻辑运算
A
B
=1
F
二极管与门电路 工作原理
A、B中有一个 或一个以上为 低电平0V 则输出F就为低
3V 0V 3V 3V A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V
0V 3V
双极性三极管开关特性
双极性三极管开关特性晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相当于开关断开状态；工作于饱和区时，内阻很低，相当于开关接通状态。
三极管开关电路如图2.2.2(a)示。
输入控制信号为矩形电压脉冲，电源电压 ,输出信号为 ,三极管开关电路输入输出波形如图2.2.2(b)。
下实例中为12V的开关控制信号，为单片机可接收的TTL信号，为了与输入控制信号一致，加入反相器74LS14。
TransistorsA Transistor is a solid-state device designed to control DC current. Transistors are most commonly found in low DC powered sensors as the output switch. There are two types of transistors - NPN and PNP.The figure below shows a NPN (Current Sink) Open Collector TransistorFigure 1: Sensor NPN OutputOutput StyleDepending on model, incremental encoders are available with several different electrical output styles. Choice of signal depends on receiving instrument and cable distance. Line driver outputs with complimentary outputs can be used with longer cables as noise spikes can be cancelled.NPNUses an NPN type transistor and aninternal resistor pulling up to the powersupply rail. The output is an activevoltage.NPN Open CollectorUses an NPN type transistor butwithout an internal pull up resistor tothe supply rail. The output is passiveso a separate power supply can beused.PNPUses a PNP type transistor and aninternal resistor pulling down to zerovolts.PNP Open CollectorUses a PNP type transistor but withoutan internal pull down resistor to zerovolts.Push PullA problem with NPN and PNP typeoutputs is the high output impedance.This can be solved by acomplementary output allowing betterswitching to zero and positive supplyrails.Line DriverThis output style has twocomplimentary outputs per channelallowing better transmission in noisyenvironments and long cable lengths.The receiver can process the signal,eliminating noise spikes.PTC protectionA positive temperature coefficientresistor can be added to the output of aNPN or PNP encoder, protecting itfrom output short circuits.Sinking/SourcingSinking sensors allow current to flow into the sensor to the voltage common, while sourcing sensors allow current to flow out of the sensor from a positive source. For both of these methods the emphasis is on current flow, not voltage. By usingcurrent flow, instead of voltage, many of the electrical noise problems are reduced. When discussing sourcing and sinking we are referring to the output of the sensor that is acting like a switch. In fact the output of the sensor is normally a transistor, that will act like a switch (with some voltage loss). A PNP transistor is used for the sourcing output, and an NPN transistor is used for the sinking input. Whendiscussing these sensors the term sourcing is often interchanged with PNP, and sinking with NPN. A simplified example of a sinking output sensor is shown in See A Simplified NPN/Sinking Sensor. The sensor will have some part that dealswith detection, this is on the left. The sensor needs a voltage supply to operate, so a voltage supply is needed for the sensor. If the sensor has detected somephenomenon then it will trigger the active line. The active line is directlyconnected to an NPN transistor. (Note: for an NPN transistor the arrow always points away from the center.) If the voltage to the transistor on the active line is 0V, then the transistor will not allow current to flow into the sensor. If the voltage on the active line becomes larger (say 12V) then the transistor will switch on andallow current to flow into the sensor to the common.A Simplified NPN/Sinking SensorSourcing sensors are the complement to sinking sensors. The sourcing sensors use a PNP transistor, as shown in See A Simplified Sourcing/PNP Sensor. (Note: PNP transistors are always drawn with the arrow pointing to the center.) When thesensor is inactive the active line stays at the V+ value, and the transistor staysswitched off. When the sensor becomes active the active line will be made 0V, and the transistor will allow current to flow out of the sensor.A Simplified Sourcing/PNP SensorMost NPN/PNP sensors are capable of handling currents up to a few amps, and they can be used to switch loads directly. (Note: always check the documentation for rated voltages and currents.) An example using sourcing and sinking sensors to control lights is shown in See Direct Control Using NPN/PNP Sensors. (Note: This example could be for a motion detector that turns on lights in dark hallways.)Direct Control Using NPN/PNP SensorsIn the sinking system in See Direct Control Using NPN/PNP Sensors the light has V+ applied to one side. The other side is connected to the NPN output of the sensor.When the sensor turns on the current will be able to flow through the light, into the output to V- common. (Note: Yes, the current will be allowed to flow into the output for an NPN sensor.) In the sourcing arrangement the light will turn on when the output becomes active, allowing current to flow from the V+, thought thesensor, the light and to V- (the common).At this point it is worth stating the obvious - The output of a sensor will be an input for a PLC. And, as we saw with the NPN sensor, this does not necessarily indicate where current is flowing. There are two viable approaches for connecting sensors to PLCs. The first is to always use PNP sensors and normal voltage input cards.The second option is to purchase input cards specifically designed for sourcing or sinking sensors. An example of a PLC card for sinking sensors is shown in See A PLC Input Card for Sinking Sensors.A PLC Input Card for Sinking Sensors“采用集电极开路的输出方式，有什么好处？”A：集电极开路输出大概有以下几个好处：1.可以实现线与功能，即两个或多个输出端可并联在一起，然后接一上拉电阻至高电平。
双极型晶体三极管(BJT)的开关特性
三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态， 在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 管的截止状态和可靠截止的条件
当vI很小，如vI<0.5V时 A.vBE小于开启电压，B－E 间，C－E间都截止 B. C.三极管工作在Q1点或Q1点以下位置，三极管的
当输入电压vI增加 ：
C.工作点向上移至Q3点以上，饱和深度增加，进入可靠饱和状态VCE=VCES≈0.3V
可靠饱和条件：iB>=IBS 或者 iC>= ICS （ICS= IBS）
三、三极管开关的过渡开关特性
td：延迟时间，上升到0.1Icmax tr：上升时间， 0.1Icmax到0.9Icmax
ton = td +tr ton开通时间, 建立基区电荷时间
ts：存储时间，下降到0.9Icmax tf：下降时间，下降到0.1Icmax
toff = ts +tf toff关断时间， 存储电荷消散时间
开关时间为纳秒级，它限制了三极管开关的工作速度
这种工作状态叫截止状态
NPN硅三极管截止的条件为vBE≤0.5V，可靠截止的条件为vBE≤0V。
二、三极管的饱和状态和可靠饱和的条件
当输入电压vI增加 ：
A. iB增加，工作点上移，当工作点上移至Q3点时，三极管进入临界饱和状态。 B. iB再增加，输出iC将不再明显变化 iB=IBS 临界饱和电流， VCE=VCES≈0.7V
晶体三极管的开关特性
三极管截止状态等效电路
• 晶体三极管在饱和与截止两种状态的特性称为开 关特性，相当于一个由基极信号控制的无触点开 三极管饱和状态等效电路
当UGS小于NMOS管的启动电压UT时，MOS管工作在截止区， iDS基本为0，输出电压UDS ≈ UDD，MOS管处于“断开”状态，其
等Rb效电路为B如关右。，其等效电路如下(1)截止状态的三极管等效电
三极管动态特性Ⅱ
• 从左图可知波形起始部分和平顶部分都延 迟了一段时间,上升和下降沿都变得缓慢了。
为了对三极管的瞬态过程进行定量描述， 通常引入以下几个参数来表征：
– 延迟时间td——从+ VB2CS所需时间；
– 上升时间tr ——CSCS所需时间;
–
存储时间ts 时间;
——从输入信号降到-VB2CS所需
– 当管由的输工于增入作i加C受电在而到压C成R点比UCi,=的例集+限地电VB制增极2时，加电,调它了流节已，iC已R不即b接可认,使近能为iB于象集=最V放电C大大C极/值区电βRV那流CCC样已,则/ 随R达三C着到极，i饱B 和(I度极饱小CVS，加电和，≈C(CV对深压压集/βC应，V降电CR/CCR的但。极E)C，=基集它回)。V而极电也路C此C集电极基中–后电IC流电本的，S极称流上cR如电、C为基不=果流V基本随e再C极称极上iEB增S之为增临保≈加间集加0界持.基2近电而饱在~极似极改0和I.C电3于饱变S电V不流短和。这流再，路电由个I增B则，流于S电加饱相V压，C和当称E集S程于很为电 开关闭合一样。三极管的这种工作状态称为饱和。
晶体三极管的开关特性
• 晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成.根据两个PN 结的偏置极性,三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。 下图给出了用NPN型共发射极晶体管组成的简单电路及其 输出特性曲线。
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第四节 开关电路
第四节 开关电路
【教学目标】 1.了解开关电路种类， 2.理解二极管、三极管的开关特性； 3.了解二极管、三极管开关电路类型及工作原理 【教学重点】 二极管、三极管开关特性 【难点分析】 二极管、三极管开关电路工作原理
第四节 开关电路
开关的作用：接通或断开电路 。 开关的分类： （1）有触点开关 如闸刀、按钮等，缺点是动作速 率低，不能满足自动控制中机电没备的要求 （2）无触点开关 如由二极管、三极管组成的晶体 管开关，特点是动作速率高、寿命长和便于控制 ，
一、二极管、三极管的开关特性 2.三极管的开关特性
（1）截止状态特性 三极管截止的条件是集电结和发射结都处 于反向偏置状态 ( 发射结零偏是临界截止 ) 。 此时IB=0、Ic ≈0、UCE=VCC－ICRC≈VCC，集 电极和发射极间的电阻很大，相当于开关 断开。
三极管的开关特性
（2）饱和状态特性
动画演示工作原理
三、应用举例
光电控制自动停机电路
第四节 开关电路
【课堂练习】 思考与练习第1、2、4 题。
第四节 开关电路
【课堂小结】 一、开关的作用与分类 二、二极管的开关特性 1.稳态特性 2.二极管的开关时间 三、三极管的开关特性 1.截止状态特性 2.饱和状态特性 3.三极管的开关时间 四、基本开关电路的电路组成及工作原理
ห้องสมุดไป่ตู้
第四节 开关电路
【课后作业】 思考与练习第3、5 题。
一、二极管、三极管的开关特性 1.二极管的开关特性
（1）稳态特性 当无信号输入，二极管处于稳定的导 通和截止状态时所具有的性质称为稳态 特性。
二极管并不是一个理想的开关元件
二极管的开关特性
（2）二极管的开关时间
把二极管由原来的稳定导通状态转换为稳定反 向截止状态的过程称为反向恢复过程，反向恢 复过程所需的时间称为反向恢复时间。一般二 极 管 的 反 向 恢 复 时 间 在 纳 秒 (ns) 数 量 级 (1ns=10-9s)。 二极管由原来的稳定截止状态转换为稳定导通 状态的过程称为开通过程，开通过程所需的时 间称为开通时间。开通时间远小于反向恢复时 间，可以忽略不计。
三极管饱和的条件是发射结和集电结都处 于正向偏置状态。饱和时，集电极和发射 极之间管压降很小(硅管0.3V，锗管0.1V)； 这时的集电极电流称为饱和电流ICS≈VCC／ RC，不再受基极电流IB的控制，基本上由 电源电压和集电极电阻决定，这时ce间的 等效电阻很小(约数百欧)，相当于开关闭 合。
三极管的开关特性
（3）三极管的开关时间
由截止状态转换为饱和状态所需的时间称为 开通时间。 由饱和状态转换为截止状态所需的时间称为 关断时间 。
开通时间和关断时间总称为三极管的开关时 间，一般是纳秒数量级。
二、基本开关电路
1.电路组成
二、基本开关电路
2.工作原理 当无信号输入时，－VCC通过Rb加到晶体管的 基极上，使发射结反偏而截止，IC≈0，ce 间相当于开关断开；当输入端有一个正的信 号电压时，三极管饱和，UCE ≈0，ce间相当 开关接通，这个状态一直保持到输入信号消 失为止。信号消失后，又恢复到截止状态。 若输入负的信号，管子仍然截止。