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1、第5章晶體管的開關(guān)特性5.1二極管的開關(guān)作用和反向恢復時間5.2開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性5.3晶體管開關(guān)的動態(tài)特性5.4習題●——本章重點開關(guān)晶體管開關(guān)原理(靜態(tài)特性)晶體管到開關(guān)過程(延遲過程、上升過程、超量儲存電荷消失過程、下降過程)?晶體管的開關(guān)時間及減小的方法晶體管(transistor,是轉(zhuǎn)換電阻transferresistor的縮寫)是一個多重結(jié)的半導體器件。通常晶體管會與其他電路器件整合在一起,以獲得電壓、電流或是信號功率增益。雙極型晶體管(bipolartransistor),或稱雙極結(jié)型晶體管(bipolarj
2、unctiontransistor,BJT),是最重要的半導體器件之一,在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導電過程的半導體器件,與只由一種載流子參與傳導的場效應晶體管不同。(場效應晶體管將在第七、八兩章中進行討論。)在放大電路中,晶體管是一個優(yōu)良的放大元件,工作在放大區(qū)域。在開關(guān)電路中,晶體管作為優(yōu)良的開關(guān)元件而被廣泛使用在計算機和自動控制領(lǐng)域中,此時晶體管工作在截止區(qū)(斷開)或飽和區(qū)(接通),從而在電路中起到開關(guān)的作用。晶體管的開關(guān)特性包括兩部分,一部分是晶體管處于開態(tài)和關(guān)
3、態(tài)時端電流電壓間的靜態(tài)特性,另一部分是在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時,電流電壓隨時間變化的瞬態(tài)特性。晶體管由截止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū),或由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截止區(qū),可以通過加在其輸入端的外界信號來實現(xiàn),因此轉(zhuǎn)換速度極快,可達每秒幾十萬次到幾百萬次,甚至更高。5.1二極管的開關(guān)作用和反向恢復時間利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性,可以把二極管作開關(guān)使用。當開關(guān)K打向A時,二極管處于正向,電流很大,相當于接有負載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合,回路處于接通狀態(tài)(開態(tài));若把K打向B,二極管處于反向,反向電流很小,相當于外回路的開關(guān)斷開,回路處于斷
4、開狀態(tài)(關(guān)態(tài))。在開態(tài)時,流過負載的穩(wěn)態(tài)電流為I1V1為外加電源電壓,VJ為二極管的正向壓降,對硅管VJ約為0.7V,鍺管VJ約為0.25V,RL為負載電阻。通常VJ遠小于V1,所以上式可近似寫為在關(guān)態(tài)時,流過負載的電流就是二極管的反向電流IR。把二極管作為開關(guān)使用時,若回路處于開態(tài),在“開關(guān)”(即二極管)上有微小壓降;當回路處于關(guān)態(tài)時,在回路中有微小電流,這與一般的機械開關(guān)有所不同。說明二極管的反向恢復時間假設(shè)外加脈沖的波形如圖5-6(a)所示,則流過二極管的電流就如圖5-6(b)所示。導通過程中(外電路加以正脈沖),二極
5、管P區(qū)向N區(qū)輸運大量空穴,N區(qū)向P區(qū)輸運大量電子。隨著時間的延長,N區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子不斷增加,直到穩(wěn)態(tài)時停止。在穩(wěn)態(tài)時,流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復合掉的空穴數(shù)目相等,流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復合掉的電子數(shù)目相等,達到動態(tài)平衡,流過P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。隨著勢壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加,P-N結(jié)上的電壓逐步上升,在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時,二極管就工作在導通狀態(tài)。當某一時刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨撁}沖,此時,正向時積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域,開始時的瞬間,流過P-N結(jié)的反向電流很大
6、,經(jīng)過一段時間后,原本積累的載流子一部分通過復合,一部分被拉回原來的區(qū)域,反向電流才恢復到正常情況下的反向漏電流值IR。正向?qū)〞r少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲存效應。二極管的反向恢復過程就是由于電荷儲存所引起的。反向電流保持不變的這段時間就稱為儲存時間ts。在ts之后,P-N結(jié)上的電流到達反向飽和電流IR,P-N結(jié)達到平衡。定義流過P-N結(jié)的反向電流由I2下降到0.1I2時所需的時間為下降時間tf。儲存時間和下降時間之和(ts+tf)稱為P-N結(jié)的關(guān)斷時間(反向恢復時間)。反向恢復時間限制了二極管的開關(guān)速度。如果脈沖持續(xù)時
7、間比二極管反向恢復時間長得多,這時負脈沖能使二極管徹底關(guān)斷,起到良好的開關(guān)作用;如果脈沖持續(xù)時間和二極管的反向恢復時間差不多甚至更短的話,這時由于反向恢復過程的影響,負脈沖不能使二極管關(guān)斷。所以要保持良好的開關(guān)作用,脈沖持續(xù)時間不能太短,也就意味著脈沖的重復頻率不能太高,這就限制了開關(guān)的速度。5.2開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性晶體管共射開關(guān)電路原理圖VBB偏置電壓RL負載電阻當基極回路中輸入一幅值VI遠大于VBB的正脈沖信號時,基極電流立即上升到在驅(qū)動電流IB的作用下,發(fā)射結(jié)電壓降逐漸由反偏變?yōu)檎?,晶體管由截止變?yōu)閷?,集電極電流
8、也將隨著發(fā)射結(jié)正向壓降的上升而增大。當集電極電流增加到負載電阻上的壓降ICRL達到或者超過VCC-VBE時,集電結(jié)將變?yōu)榱闫?,甚至正偏,發(fā)射結(jié)上的壓降很小,C和E之間近似短路,相當于圖中CE間的開關(guān)K閉合。因此,當晶體管導通后,在集電極回路中,晶體管相當于一個閉合開關(guān)。當基極回路的輸入脈沖