脉冲基础知识和反相器
反相器电路原理
反相器电路原理
反相器电路是一种基本的电子电路，用于将输入信号进行反相处理。
其原理是利用电子器件的特性，将输入信号经过放大并反向输出，从而实现输入信号的反相。
常见的反相器电路包括晶体管反相器、运放反相器等。
这里以晶体管反相器为例进行说明。
晶体管反相器电路由一个晶体管和若干个电阻构成。
输入信号通过电阻接入晶体管的基极，而晶体管的集电极则与输出端相连。
当输入信号为高电平时，晶体管处于截止状态，因此没有输出信号。
而当输入信号为低电平时，晶体管进入饱和状态，输出信号便会取反输出。
具体来说，在输入信号为高电平时，晶体管的基极电压较高，导致基极-发射极间的电压较低，使得晶体管工作在截止区。
而在输入信号为低电平时，晶体管的基极电压较低，基极-发射极间的电压较高，使得晶体管工作在饱和区。
由于晶体管是一种放大器件，它可以将输入信号的幅值进行放大。
在反相器电路中，晶体管放大了输入信号的幅值，并通过反向连接的输出电路输出。
需要注意的是，为了保证反相器电路的稳定性和工作正常，还需要合适的电阻和电源配置。
此外，还需要考虑晶体管的工作参数，如工作电流和输出电压等。
总之，反相器电路是一种常见的电子电路，通过反向连接和晶体管的放大特性，实现了输入信号的反相处理。
202X年数电-07-脉冲波形的变换与产生
※ 11
1 vO 1
vO
vI
0
G1 ≥1
00
≥1 G2
vO1
－ + vI2Vth
vI
VDD
vI2
vO由1变0vO1=1(注意(zhù yì)：
∵此时vI的正脉冲已撤消)
VTH
VDD+VTH VDD+Δ+
电容电压不能突变(tūbiàn)vC=Vth
vO
vI2上升到VDD+Vth
暂态过程结束
v如果G2是CMOS门，由于保护二极管的钳位作用 vI2只能(zhī nénɡ)上升到VDD+Δ+
预备知识：
TTL与非门
1、门坎(ménkǎn)电平（阈值电压)：VTH
TTL与非门或反相器的电压传输(chuán shū)特性为：
输出低电平（逻辑0） ——与非门开通 输出高电平（逻辑1） ——与非门关闭
开门电平VON：使与非门开通的输入高电平的最小值。 关门电平VOFF：使与非门关闭的输入低电平的最大值。
(4)用TTL与非门组成微分型单稳态触发器，考虑到输入(shūrù)电流，
则应R ＜Roff，而Rd ＞Ron。CMOS门组成的单稳态触发器中R、
Rd 不受此限制。
第十七页，共九十二页。
※ 16
二、 积分(jīfēn)型单稳态触发器
两个与非门+RC积分电路 工作(gōngzuò)原理：
1 vO1 R
输出宽脉冲。
第十四页，共九十二页。
VDD+VTH VDD+Δ+
※ 13
3、主要参数计算(jìsuàn)：
vO
vO
1
பைடு நூலகம்
反相器、电容、异或门构成的脉冲发生电路
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在本文中，我们将讨论由反相器、电容以及异或门构成的脉冲发生电路。
首先，让我们简要介绍一下这些组件的基本原理，然后深入探讨它们如何结合在一起形成一个功能完整的脉冲发生电路。
反相器是一种基本的数字逻辑门，它将输入信号取反输出。
换句话说，如果输入为高电平（通常表示为逻辑1），那么输出就是低电平（逻辑0），反之亦然。
脉冲信号的产生与转换
积分电路 a)电路图 b)波形图
三、阈值电压 集成门电路的输出状态发生翻转时，所对应的
临界输入信号电压，用VTH 表示。
通常将转折区中点所对应的输入电压称为阈值 电压。一般TTL门电路取1.4V作为阈值电压， CMOS门电路取1/2电源电压作为阈值电压。
单稳态触发器特点是：
（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到 暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一 段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持 续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参 数。
一、微分型单稳态触发器
微分型单稳态触发器 a)电路图 b)时序波形图
反相器的电压传输特性
三、利用反相器对微积分脉冲进行整形处理
前述的微分电路和积分电路虽然可对波形进行变换， 但其输出波形并不是一个标准的时钟脉冲，为了 得到标准的时钟脉冲信号，可利用反相器对其进 行整形处理。
反相器对脉冲波形的整形和处理
a）下拉式微分电路 b）上拉式微分电路 c）积分电路
第二节 单稳态触发器
对CMOS电路来说，施密特触发器的回差电压
与电源电压VDD有关，VDD越高，回差电压越大，
且回差越大，其抗干扰能力就越强。但当回差电
压较大时要求uI的变化幅度也要大。
三、基本应用电路 施密特触发器的应途十分广泛。 (一) 波形的变换和整形
波形的变换 a)电路图 b)波形图
波形的整形 a)施密特整形 b)反相器整形
即输出脉冲宽度tw与充电时间常数RC 的大小有关，RC 越大，tW越宽。
0
1
0
1
4. 恢复过程 暂稳态结束后，电容C上已充有一定的电压，因此， 电路返回稳态后需经C的放电过程，电容上的电压才能恢复到稳 态时的数值，这一过程即为恢复过程。恢复过程所需时间tre 的 大小与放电时间常数RC 的大小有关。恢复过程结束后，才允许
由正脉冲生成负脉冲的原理
由正脉冲生成负脉冲的原理正脉冲和负脉冲是电子学中常见的两种脉冲信号，它们在许多电路和系统中都有重要的应用。
由正脉冲生成负脉冲的原理是通过适当的电路设计和信号处理实现的。
下面将详细介绍几种常见的方法。
1. 单稳态多谐振荡器（one-shot multivibrator）单稳态多谐振荡器是一种通过高电平输入产生负脉冲输出的电路。
它是由一个门电路和一个RC元件组成的。
当输入信号的上升沿到达时，门电路会输出一个短时脉冲信号。
该脉冲信号经过RC元件的充电和放电过程后，形成一个较长的高电平输出。
当输入信号的下降沿来临时，门电路会再次输出短时脉冲信号，使得输出信号产生一个负脉冲。
2. 反相器（inverter）反相器是一种能够将输入信号进行反相输出的电路。
它由一个晶体管或逻辑门电路组成。
在一个电平触发时，反相器会将输入信号的电平从高变为低，或者从低变为高。
当输入信号为正脉冲时，经过反相器输出的信号即为负脉冲。
3. 多谐振荡器（multivibrator）多谐振荡器是一种能够产生周期性脉冲信号的电路。
它由一个电容、一个电阻和两个晶体管（或逻辑门电路）组成。
其中一个晶体管（或逻辑门）负责产生高电平的输出信号，而另一个晶体管（或逻辑门）则负责产生低电平的输出信号。
通过适当的触发条件和时序控制，多谐振荡器可以生成正脉冲和负脉冲信号。
4. 电荷泵（charge-pump）电荷泵是一种能够将输入电流转换为输出电压的电路。
它由一对开关和一个电容组成。
当输入电流为正时，一个开关会打开，使电容充电。
当输入电流为负时，另一个开关则会打开，使电容放电。
这样，电容的充放电过程就会产生一个负脉冲信号。
以上这些方法只是几种常见的由正脉冲生成负脉冲的原理，实际上还有很多其他的方法和电路设计可以实现这一功能。
在实际应用中，我们可以根据具体的需求和设计要求选择合适的方法。
数字电子技术基础脉冲电路
1 3 VCC
0
0
导通
1
1
截止
1
0
导通
1
不变 不变
8.2.3 555 定时器的外引脚
1 – 接地端
GND 1
U I 2 2 555
OUT 3
RD 4
8 VCC 7 DIS
6 UI1
5 U IC
2 – 低位触发置1端 3 – 输出端 4 – 低电平复位端 5 – 电压控制端
“3入1出1开关”
50 00
3. 占空比可调电路
+VCC
R1
84
7
R2
D1 D2 6 555 3 uO
5
C+
21
C2
tw1= 0.7R1C tw2 = 0.7R2C
q tW1 T
0.7 R1C (0.7R1 0.7R2）C
R1 R1 R2
实验室
8.3.2 用门电路构成的多谐振荡器
工作原理： 1. 反相器静态工作在转折区（放大）; 2. 由两个反相器和电容连接成正反馈电路.。 电路的振荡周期 T= 1.3RC
+ - C1
R
&
输出缓冲反相器
5 k
S
(2) U R2
vI2
+ C2
&
& Q
G
(3)
1
vo
电压比较器
(7)
vo’
5 k
T
(1)
集电极开路输出三极管
基本RS触发器
工作原理
如果悬空
VCC (8)
01
RD (4)
5 k 011
2 3 VCC
电子线路第14章
二极管在状态转换时需要一定的时间，即开 关时间。二极管的开关时间主要决定于二极管从 导通到截止的时间，即反向恢复时间。测试表明， 一般二极管的反向恢复时间在纳秒（ns）数量级 （1ns=10−9s）。例如，2CK系列硅开关二极管的 1ns=10−9s 2CK 开关时间为5ns，2AK系列锗开关二极管的开关时 间是150ns。
1 + 3 VT 2 +
I C = I CS =
VCC 12 = ≈ 1.76(mA) RC 6.8
U O = U CES ≈ 0.3 V
由此可见，Rb 、 RC 、β等参数都 由此可见 ， 等参数都 能决定三极管是否饱和。 能决定三极管是否饱和。
UI
-
100kΩ
U\= O
-
U I VCC ＞ 饱和条件可写为： 饱和条件可写为： Rb βRC
K
IF
RL
(2)加反向电压 二极管截止， 可忽略。 (2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二 极管相当于一个断开的开关。 极管相当于一个断开的开关。
VD K
UR
IS
RL
UR
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压u 控制的开关。 可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压 i控制的开关。 受外加电压 当外加电压u 为一脉冲信号时， 当外加电压 i 为一脉冲信号时 ， 二极管将随着脉冲电压 的变化在“ 态与“ 态之间转换。 的变化在 “ 开 ” 态与 “ 关 ” 态之间转换 。 这个转换过程 就是二极管开关的动态特性 动态特性。 就是二极管开关的动态特性。
uI
-
iB e
u CE
-
小于三极管发射结死区电压时， ≈0， （1）截止状态：当uI小于三极管发射结死区电压时，IB＝ICBO≈0， 截止状态： ≈0， 三极管工作在截止区，对应图中的A IC＝ICEO≈0，uCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为： 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压
教学研讨
关于成立全市职业学校综合高中高三年级各专业中心教研组并开展教学研讨活动的通知各有关学校：为提高全市综合高中高三年级各专业课复习教学的针对性和有效性，经研究，决定于近期分别开展建筑、机械、机电、电子电工、计算机应用、化工、农业、财会、市场营销、旅游管理、烹饪、纺织服装、汽车、艺术等14个专业教研活动。
现将有关事项通知如下：一、教研活动内容1、分析2014年单招考试试卷。
2、2014年全市各专业单招专业课及技能考试成绩分析。
3、对照考纲，专题梳理各专业两门主干学科章节一轮复习的要点，研讨复习方法。
4、研究制定全市第一次调研考试试卷内容、结构框架。
5、观摩各专业两门主干学科复习课、习题讲评课等，并评课。
二、参加教研活动人员全市各专业中心教研组全体人员（见附件一）参加教研活动，不得缺席。
届时每专业按两门主干学科分组开展研讨，各校要提前做好课务调整。
三、教研活动时间与地点安排1、10月14日～15日机电、烹饪专业10月14日下午3：00前，请参加机电、烹饪专业教研活动的老师到盐城机电高职校报到并开展活动。
2、10月15日～16日旅游管理、纺织服装专业10月15日下午3：00前，请参加旅游管理、纺织服装专业教研活动的老师到建湖中专报到并开展活动。
3、10月16日～17日机械、农业专业10月16日下午3：00前，请参加机械、农业专业教研活动的老师到射阳中专报到并开展活动。
4、10月20日～21日市场营销、艺术（美术）专业10月20日下午3：00前，请参加市场营销、艺术（美术）专业教研活动的老师到盐城高级职业学校报到并开展活动。
5、10月23日～24日计算机、化工专业10月23日下午3：00前，请参加计算机、化工专业教研活动的老师到滨海中专报到并开展活动。
6、10月24日～25日电子电工、汽车专业10月24日下午3：00前，请参加电子电工、汽车专业教研活动的老师到阜宁中专报到并开展活动。
7、10月27日～28日建筑、财会专业10月27日下午3：00前，请参加建筑、财会专业教研活动的老师到东台中专中专报到并开展活动。
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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+++=)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 <V T1时，V 1截止，V O 为高电平；这时V 2饱和导通，等效电阻R DS 小，τ = R DS C L 小，提高了工作速度。
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。