第10章 脉冲基础知识和反相器
数字电子技术第十章 脉冲信号的产生与整形
常见的脉冲波形图
5
2. 矩形波及其参数 数字电路中用得最多的是矩形波，包括周期性与非周期性两种。
T ：脉冲周期；f： 脉冲频率 Vm ：脉冲幅度；Tw：脉冲宽度 tr：上升时间；tf：下降时间 q：占空比, q=Tw/T, q=50%时称为对称方波
0
t
(b) 波形
（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态
暂稳态期间，VDD对C充电，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时， uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，uo1变为1 。uA
随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路
退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。
路会产生如下正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOH≈VDD的状态(第二稳态)。 此时的VI值称为施密特触发器的正向阈值电压VT+。 VI继续上升，电路的状态不会改变。
正向阈值电压VT+的求解：
第一稳态， VO= VOL≈0V。CMOS反相器输入电流为0。
VA
VI R1 R2
R2
当VA
VTH ,VI
R1 R2 R2
VTH
此时的VI即VT
(1
R1 R2
)VTH
当VI=1，VO= VOH=1 ，第一稳态。 当VI下降，VA也会下降。当VA下降到VTH时，电路又会产生以下 的正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOL ≈0 ，第二稳态。 此时的VI值称为施密特触发器的负向阈值电压VT－。 VI再下降，电路将保持状态不变。
10.3.1 用集成门电路构成的施密特触发器
1. 电路组成
数字电子技术基础第五版第十章
1. 原理分析
* 稳V 态 I 0 ,V O 下 1 ,( V O 1 V O ： )V H A , V O ； H *V I后V ， O0,进入暂 V O 1 稳 0,C 开 态始 ，放电 *当放 VA 至 VTH 后V ， O1,返回稳态； V I后 C 重 ， 新 充 至 V OH
暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
C 充电V至 I2VTH 时,VI2又引起正反馈
VI2 VO VO1
这期间vd维持低电平
电路迅速返V回 O稳 0,VO 态 1VDD,C放电至没有电压 稳， 态恢 。复
稳态 V I 0 ,V 下 d 0 ,V I ： 2 V D,V D O 0 ,(V O 1 V D)D C ,上无电 暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
2. 性能参数计算 输出脉宽：
放电 回路
tw (R R o)C ln V V ( ( ) ) V V ( (0 t) ) (R R o)C ln V V O T H H
输出脉宽
输出脉 V O 0 时 冲间 宽 V A 从 ） 度 V O放 H 等 （ V 电 T于 的 H至 时间。
二、微分型单稳态触发器
则有： vAVTH R1R2R2VT
V TR 1R 2R2V TH(1R R 1 2)V TH
vA VT R2 R1 R2
VT+称为输入信号vI的正向阈值电压
3.当 v 从I 高电平 V逐D D渐下降时,有
VTH=
vI
vA
v o1
vo
设此时
VI =VT-
当 v 下I 降到使 vA 时V,电th 路的状态将迅速转换为
性能参数： 暂稳态输出的宽度
脉冲电路基础知识
知识梳理 本项目中的实验主要完成了波形变换电路微分
电路和积分电路的测试以及晶体管开关特性的检验， 在学习过程和实验过程中，要求学生在掌握基本理 论的同时，能动手实践，并能设计出相应的实验， 进行知识的综合运用。
问题与思考 1.什么是脉冲信号？ 2.什么是二极管的开通时间和反向恢复时间？ 影响二极管开关速度的主要是哪一个？
任务一 RC电路的应用
1 脉冲基础知识
如图2-1-1所示，这种瞬间突然变化、 作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号， 简称脉冲。在脉冲技术中最常使用的是 矩形脉冲波，简称矩形波，其主要参数 如图2-1-2所示：
任务一 RC电路的应用
图2-1-1常见2-1-2矩形脉冲电压参数
Vm：脉冲幅度 tr: 脉冲上升时间
tf: 脉冲下降时间 tP：脉冲宽度 T：脉冲周期
任务一 RC电路的应用
2 微分电路
微分电路是脉冲电路中常用的一种波形 变换电路，能够把矩形波变换成一对正、负 极性的尖峰脉冲波。
任务一 RC电路的应用
微分电路的形式，如图2-1-3和图2-1-4所示。 具体特点：
电子线路实验与实训
脉冲电路基础知识
脉冲电路就是脉冲波形的产生、整形和变换 的电路。脉冲电路是由两部分组成:惰性电路和开 关。开关的作用是破坏稳态,使电路出现暂态。在 数字电路中分别以“1”状态和“0”状态表示高 电平和低电平,此时电信号的波形是非正弦波。通 常，把瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流 称为脉冲信号，简称为脉冲。
由图c波形示意图，对三极管的开关时间规定如下： 1.开通时间ton:是指三极管输入开通信号瞬间开始
至ic上升到0.9ICS所需的时间 。 2.关闭时间toff：是指三极管输入关闭信号瞬间开
第十章——脉冲波形的产生与整型
电路结构
vO
1
vO 1 D vI2 R G2
vI
vO1 G1 1 Cd vd Rd C 1
vO G2
G1 vI Cd
& vd Rd
C vC
D v I2 v C R VDD
(CMOS门，与非，负脉冲触发)
(CMOS门，或非，正脉冲触发)
1、CMOS或非门电路构成的微分型单稳态触发器 （1）电路结构 正脉冲触发 （2）工作原理分析 解决三个问题： ①什么是稳态？ ②如何在外部触 发脉冲作用下，由 稳态进入暂态？
vI
同相ST传输特性
反相ST传输特性
10.2 施密特触发器
4、施密特触发器应用
1. 波形变换
vI
0
vO1 VOH
VT VT
t
vo
0
t
vI
VOL o
VT_ VT+
2. 波形整形
vI
vI VT+ VT– 0 vO VOH VOL 0
1
vO
vI vI VT+ VT–
t
1
vO
0 vO VOH VOL 0
(3)当VI 1 至VTH , 又返回第一个暂稳态。
二、电压波形
脉冲宽度计算： TW T1 T2 T1 : C放电，从VTH VDD 放至VTH T2 : C充电，从VTH VDD 充至VTH
V( ) V( 0) tw RC ln V( ) V( t )
【题10-1】 在图题10-1所示的电路中，已知R1=10kW，R2=30kW， 其中CMOS非门电路的电源电压VCC=6V。 ① 计算该电路的正向阈值电压VT+、负向阈值电压VT－和回差电压ΔVT。 ② 画出该电路的传输特性曲线。
脉冲的基础知识和反相器31页PPT
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
脉冲的基础知识和反相器
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有ห้องสมุดไป่ตู้律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
第10章 脉冲波形
uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。
数字电子技术
单稳态触发器小结
单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由 555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳 态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部 电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉 冲宽度也由电路的阻容元件决定。
单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但 却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途 很广。
对称式 多谐振荡器
数字电子技术
二、工作原理
假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则 必然会引起如下的正反馈过程 ：
使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平， 电路进入第一暂稳态。 此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容 C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数， 所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH， 并引起如下的正反馈过程：
为数字—模拟混合集成电路。 可产生精确的时间延迟和振荡，内部有 3 个 5KΩ的电阻分压器，故称555。
在波形的产生与变换、测量与控制、家用电
器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
数字电子技术
各公司生产的 555 定时器的逻辑功能与外引线 排列都完全相同。
双极型产品 单555型号的最后几位数码 双555型号的最后几位数码 优点 电源电压工作范围 负载电流 555 556 驱动能力较大 5~16V 可达200mA CMOS产品 7555 7556 低功耗、高输入阻抗 3~18V 可达4mA
数字电子技术
10.4 多谐振荡器
1. 多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 • 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替， 从而产生自激振荡。 • 输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐 波分量，故称作多谐振荡器。
反相器原理
反相器原理
反相器是一种基本的电子电路，用于将输入信号的电平反转。
它主要由一个晶体管或运放构成。
当输入电压为高电平时，晶体管导通，输出电压为低电平；而当输入电压为低电平时，晶体管截止，输出电压为高电平。
因此，晶体管的导通与否决定了输出信号的电平。
反相器的工作原理可以通过以下步骤解释：
1. 当输入信号为逻辑高电平时，晶体管处于饱和状态，基极与发射极之间的电压为零。
因此，没有电流通过负载电阻，输出电压为低电平。
2. 当输入信号为逻辑低电平时，晶体管处于截止状态，基极与发射极之间的电压为正向电压。
这会使电流经过负载电阻，输出电压为高电平。
通过这种方式，输入信号的电平被反转，并且输出相反的电平。
这对于许多电子应用非常有用，例如逻辑门电路和信号处理电路。
需要注意的是，反相器的输出电压与输入电压之间的关系不是线性的。
输出电压的幅度取决于电源电压和负载电阻的选择，以及晶体管的特性参数。
因此，在设计反相器电路时，需要考虑这些因素以获得所需的输出电平。
脉冲电路PPT课件
三极管由截止转变为饱和导通所需的时 间称为开启时间，即在基区逐渐积累电荷， 使电流由小变大所需时间。由饱和导通转变 为截止所需的时间称为关闭时间，即在基区 通过中和逐渐清除电荷，使电流逐渐变小所 需时间。
通常关闭时间比开启时间要长很多倍， 这主要是射极输入的载流子在基区中积累电 荷比基区中载流子中和这些电荷要快得多， 普通开关管的开启时间约为10~30ns，关闭 时间约为100~200ns，高频管的开关速度比 普通开关管慢得多。对于生物电脉冲，它的 前沿约为数毫秒，也可以用高频管代替开关 管。
第二节 晶体管反相器
一. 晶体三极管的开关特性 晶体三极管不仅有放大作用，而且还有开关作用。在
脉冲数字电路中就是利用三极管的开关作用。 由其特性曲线知，当基极电流Ib≤0时，晶体管工作在
截止区。此时集电极电流Ic≈0，晶体管的发射结和集电结 均处于反向偏置，相当于开关断开。当Ib由零逐渐上升时， 晶体管的工作状态由截止区进入放大区，一旦Ib继续上升 达到临界饱和电流Ibs时，三极管处于临界饱和状态，如再 增大Ib，使Ib>Ibs，三极管进入饱和区。此时集射极电压 Uce接近于零，Ib基本上失去了对Ic的控制能力，相当于开 关接通。
体管饱和程度加深，输出信号 Uo仍然为零。如果充电的时 间常数(R1+rbe)C小于脉冲宽 度，电容C在正脉冲持续期间 (输入高电平)得到完全充电， 其电压(左正右负)接近于输入 脉冲的幅度电压Um。当输入 脉冲下降时，电容C开始放电， 迫使基极电位下降到-Um，三 极管截止，输出信号 Uo上升 到接近于Ec。
电平渐移，对信号
放大、变换和计数等会 造成困难。为了克服这 个缺点，对电路进行改 造，在电阻R上并联一 个二极管 D。
输入波形 输出波形
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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。
学时分配序号内容学时1 10.1 脉冲基础知识 32 10.2 晶体管开关特性 13 10.3 反相器 1.54 本章小结与习题0.55 本章总学时 610.1 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Λ+++=)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、饱和工作状态特点工作状态 截 止 放 大饱 和条 件i B ≈ 0 βCSB 0I i <<βCSB I i ≥工 作 特 点偏置情况发射结和集电结 均为反偏发射结正偏 集电结反偏 发射结和集电结均正偏集电极电流 i C ≈ 0i C ≈β i BcGCS C R V I i ≈≤ 且不随i B 增加而增加管压降 V CEO ≈V G V CE = V G - i C R cV CES ≈0.3 V (硅管) V CES ≈0.1 V (锗管) c 、e 间等效电阻很大，约为数百千欧，相当于开关断开可变很小，约为数百欧姆， 相当于开关闭合四、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。
2．减少三极管开关时间的办法：接加图10.2.5 三极管开关电路的波形速电容。
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．原理(1)v I 时，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R1、R2决定)，此时C S相当于开路。
(2) v I 时，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v I v O低电平高电平高电平低电平10.3.2MOS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；图10.2.6加速电容的作用反相器图10.3.1 晶体管反相器图10.3.2 MOS反相器v I = 20 V 时，v GS > v T ，V 导通，v O = v DD - i D R D = 0.2 V ，为低电平。
3．功能：反相器v I v O 低 高 高低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。