三极管开关特性(经典)

合集下载

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。

晶体三极管的开关特性

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。
三极管静态特性
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关，其等效电路如下(1)截止状态的三极管等效电路。
01
添加标题
02
添加标题
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。
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。
晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。三极管和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态也需要一定的时间才能完成。
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：
存储时间ts：经过上升时间后，集电极电流继续增加到Ics，这时由于进入了饱和状态，集电极收集电子的能力减弱，过剩的电子在基区不断积累起来，称为超量存储电荷，同时集电区靠近边界处也积累起一定的空穴，集电结处于正向偏置。当输入电压ui由+U2跳变到-U1时，上述存储电荷不能立即消失，而是在反向电压作用下产生漂移运动而形成反向基极电流，促使超量存储电荷泄放。在存储电荷完全消失前，集电极电流维持Ics不变，直至存储电荷全部消散，晶体管才开始退出饱和状态，ic开始下降。下降时间tf：在基区存储的多余电荷全部消失后，基区中的电子在反向电压的作用下越来越少，集电极电流ic也不断减少，并逐渐接近于0。

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。

双极型晶体三极管的开关特性

1 0.7 mA 10
0.03mA
iB
3
0.7 10
mA
0.23mA
三极管临界饱和时的基极电流：而
I BS
VCC uCES
Rc
5 0.3 mA 50 1
0.094 mA
因为0<iB<IBS，三极管工作在放大
状态。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，
输出电压：
uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5V
状态称为放大状态。
2．2 双极型晶体三极管的开关特性
（3）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。
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
2．2 双极型晶体三极管的开关特性
（4）三极管开关的过渡过程
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
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
iC＝βiB
uCE＝VCC－ iCRc
可变
饱和
iB＞IBS 发射结正偏集电结正偏 uBE>0，uBC>0
iC＝ICS uCE＝UCES＝
0.3V 很小，相当开关闭合
+VCC Rc iC
Rb b
c
uo
ui
iB
e
iB(μA)

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。

三极管典型开关电路

三极管典型开关电路三极管是一种非线性电子器件，常用于电子电路中的放大和开关控制。

典型的三极管开关电路有共射、共基和共集三种。

共射开关电路是最常见的一种三极管开关电路。

它的基极通过一个电阻与信号源相连，发射极通过负载电阻连接至地，而集电极则连接到一个正电源。

在开关状态下，当输入信号高于一个阈值电压时，三极管将会被打开，并且电流可以从集电极流向发射极。

而当输入信号低于阈值电压时，三极管关断，电流无法通过。

由于集电极端的电阻，该电路可以输出一个较高的电压。

共基开关电路中，集电极连接到一个电压源上，发射极通过一个负载电阻与地相连，而基极则与信号源相连。

在开关状态下，当输入信号高于一个阈值电压时，三极管被打开，电流从集电极流向发射极，而当输入信号低于阈值电压时，三极管关断，电流无法通过。

共基开关电路可以提供较低的输出电压，常用于需要较高的电流放大的场景。

共集开关电路中，发射极连接到一个电压源上，基极通过一个电阻与信号源相连，而集电极则通过一个负载电阻与地相连。

在开关状态下，当输入信号高于一个阈值电压时，三极管被关闭，电流无法从集电极流向发射极，而当输入信号低于阈值电压时，三极管打开，电流可以通过。

共集开关电路可以提供较低的输出电压，而且具有电流放大的特性。

三极管开关电路的工作原理是，通过输入信号的控制，将三极管的工作状态切换为导通或者截止。

通过这种方式，我们可以将电路中的信号进行放大、开关控制等操作。

总结来说，三极管典型的开关电路主要有共射、共基和共集三种。

它们通过控制输入信号的大小，使三极管处于导通或截止状态，从而实现电路的特定功能。

这些典型的开关电路在电子电路设计中广泛应用，并且有着不同的电压输出特性和电流放大特性。

三极管典型开关电路

三极管典型开关电路三极管是一种常用的半导体器件，在电路中起着非常重要的作用。

其中，三极管的典型开关电路是一种常见且广泛应用的电路，用于实现对电路的开关控制。

下面将对三极管典型开关电路进行详细介绍。

三极管典型开关电路通常由三极管、电阻、电源等元器件组成。

其基本原理是通过控制三极管的输入信号，使得三极管处于导通或截止状态，从而实现电路的开关控制。

在三极管典型开关电路中，通常会采用双极型晶体管（NPN型或PNP型）来实现开关功能。

在NPN型三极管典型开关电路中，当输入信号为低电平时，三极管处于截止状态，电路中的电流无法流通，此时电路处于断开状态；当输入信号为高电平时，三极管处于饱和状态，电路中的电流可以流通，此时电路处于闭合状态。

通过控制输入信号的高低电平，可以实现对电路的开关控制。

在PNP型三极管典型开关电路中，其工作原理与NPN型相反。

当输入信号为高电平时，三极管处于截止状态，电路处于断开状态；当输入信号为低电平时，三极管处于饱和状态，电路处于闭合状态。

同样，通过控制输入信号的高低电平，可以实现对电路的开关控制。

三极管典型开关电路在实际电路设计中具有广泛的应用。

例如，可以用于数字电路中的开关控制、电源管理电路中的电路保护等方面。

此外，三极管的开关电路还可以实现电路的时序控制、电路的选择性切换等功能，极大地提高了电路的灵活性和可控性。

总的来说，三极管典型开关电路是一种常见且实用的电路，通过控制三极管的开关状态，可以实现对电路的开关控制。

在电子电路设计和应用中，三极管开关电路发挥着重要的作用，为电路的实现和功能的实现提供了关键的支持。

希望通过本文的介绍，读者对三极管典型开关电路有了更深入的了解，可以更好地应用于实际电路设计中。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

uO = UCES≤ 0.3 V
二、动态特性
三极管饱和程度↑ ⇒toff ↑
t
uI / V
3 0 -2 0.9ICS 0.1ICS 0 3 0.3 0
iC
t
uO / V
ton
toff
t
2. 1. 4 MOS 管的开关特性 MOS（Mental – Oxide – Semiconductor）（）半导体场效应管金属 – 氧化物 – 半导体场效应管一、静态特性 (电压控制型) 电压控制型) 1. 结构和特性：结构和特性： (1) N 沟道
2 4
电流关系 uCE = 0
(4) 输出特性
iC = f (uCE) iB
饱 3和区
2 1 0
iB = 0 u /V CE
6 8
2. 开关应用举例
(1) uI = UI L = −2 V
发射结反偏 T 截止
+VCC (12V) Rc + 3V 2.3 kΩ Ω Rb i B iC 2 kΩ Ω
UTP uDS /V
-6 -4 -2 0
iD /mA
-1 -2 -3
可 -2 - 5V 变恒流区电 -3 阻 uGS = - 6V 区 -4 漏极特性
uGS /V
uDS = - 6V
-4
转移特性
2. MOS管的开关作用：管的开关作用：管的开关作用 (1) N 沟道增强型 MOS 管
+VDD
uO = 0 V uO = 2.3 V
uI = UI H = 3 V 二极管导通
二、动态特性 1. 二极管的电容效应结电容 C j 扩散电容 C D 2. 二极管的开关时间 ton — 开通时间 toff — 关断时间
电容效应使二极管的通断需要一段延的通断需要一段延迟时间才能完成
uI
0
t
iD
uI − uBE iB = (uBE ≈ 0.7 V) Rb
3 − 0.7 mA = 1 mA = 2.3
+ T
β = 100
uo
−
uI
-2V
−
VCC −UCES VCC 12 IBS = mA = 0.06 mA = ≈ = β Rc 100 × 2 β Rc ⋅ β ICS
因为 iB > IBS 所以 T 饱和
+10V 20 kΩ Ω
+VDD
+10V 20 kΩ Ω
+VDD
+10V 20 kΩ Ω
RD
RD
RD
iD D
D
uO uI
G
D S
uO uI
GБайду номын сангаас
uO
uI
B
G
S
RON S
开启电压 UTN = 2 V
uI < UTN
uO = UOH = VDD
uI > UTN
uO = UOL ≈ 0 V
(2) P 沟道增强型 MOS 管
硅二极管伏安特性
UD ≈ 0.7 V UD < 0.5 V
ID ≈ 0
二极管的开关作用：二极管的开关作用：电路如图所示， [例] 电路如图所示，
+ 0.7 V D D -
uI = − 2 V 或3 V
试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。 [ 解]
+ -
+
uI
uO
-
uI = UI L = − 2 V 二极管截止
iB ≈ 0
iC ≈ 0
+ T
β = 100
uO ≈ VCC = 12 V
uo
−
uI
-2V
(2) uI = UI H = 3 V
发射结正偏 T 导通
−
放大还是饱和？是饱和？
饱和导通条件：饱和导通条件：
VCC iB > IBS ≈ β Rc
Rc + 3V 2.3 kΩ Ω Rb i B iC
+VCC +12V 2 kΩ Ω
0
t on << t off ( t rr ) ≤ 5 ns
(反向恢复时间) 反向恢复时间)
t
ton
toff
2. 1. 3 半导体三极管的开关特性一、静态特性 (电流控制型) 电流控制型) ) 1. 结构、符号和输入、输出特性 (Transistor) 结构、符号和输入、 (1) 结构 )
集电极 collector N 基极集电结发射结
iD /mA
4 3 uDS = 6V
(2) P 沟道
漏极 D
参考方向
iD + P 沟道增强型 MOS 管栅极 B uDS 沟道有对偶关系。与 N 沟道有对偶关系。 G 衬开启电压 +u 底 GS UTP = - 2 V 源极 S 截止区 iD /mA
0 -1 -10 -8 -6 -4 -2 - 3V - 4V
A
++ ++ 区 + + N区 ++
D/mA
PN结结 + UD K
K 反向阴极 U(BR) 截止区
0
正向导通区
0.5 0.7
ID
反向击穿区
UD/V
1. 外加正向电压(正偏) 外加正向电压(正偏) 二极管导通(相当于开关闭合) 二极管导通(相当于开关闭合) 2. 外加反向电压(反偏) 外加反向电压(反偏) 二极管截止(相当于开关断开) 二极管截止(相当于开关断开)
2. 关断时间：（闭合关断时间：
toff = 0
普通开关：静态特性好，普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，半导体开关：静态特性较差，动态特性好
几百万/ 几百万/秒几千万/ 几千万/秒
2. 1. 2 半导体二极管的开关特性一、静态特性 I -A P区 - 区- -阳极
漏极 D
4
iD + 3 开启电压 2 栅极 2 UTN = 2 V B uDS 4V G 1 衬 - 1 UTN 3V +u 底 GS 0 2 4 6 8 10 uDS /V 0 2 4 6 uGS /V 截止区漏极特性源极 S 转移特性
iD /mA 可 uGS = 6V 变电阻恒流区 5V 区
-VDD
-10V 20 kΩ Ω
-VDD
-10V 20 kΩ Ω
-VDD
-10V 20 kΩ Ω
RD
RD
RD
iD D
D
uO uI
G
D S
uO uI
G
uO
uI
B
G
S
S
开启电压 UTP = − 2 V
uI > UTP
uO = UOL = −VDD
uI < UTP
uO = UOL ≈ 0 V
2. 1 半导体二极管、三极管和 MOS 管的开关特性
2. 1. 1 理想开关的开关特性一、静态特性
A S
K
1. 断开
ROFF = ∞， OFF = 0 I
2. 闭合
RON = 0， AK = 0 U
二、动态特性 1. 开通时间：开通时间：（断开闭合）闭合）
A
S
K
ton = 0
断开）断开）
(2) 符号 ) iB b c iC e NPN
base
P N
发射极 emitter
(3) 输入特性 )
状态 iB / µA 放大饱和临界
iB = f (uBE ) uCE
截止 iC / mA
4
0
条件发射结正偏 i C= β iB 集电结反偏 uCE ≥ 1V i C ＜ β iB 两个结正偏 I CS= β IBS uBE /V 两个结反偏 iB ≈ 0, iC ≈ 0 50 µA 40µA 放大区 30 µA 20 µA 10 µA 截止区