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。
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vm ——脉冲电压变化的最大值。
2) 上升时间tr ——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tf ——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tp——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。
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。
10.1.3 rc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。
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=rc，单位为s。τ越大，充放电越慢； 越小，充放电越快。
实验证明：当t=0.7τ时，充电电压为vg的一半；放电电压为电容器两端电压vc的一半；
当t=(3~5) 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vo=vr；
2) 时间常数 τ<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) vo取自rc电路的电容c两端。即vo=vc；
2)τ>tp，通常τ≥3tp；
3．工作原理。
t≥t1,vi=vm ,c充电，vo=vc以指数规律缓慢(τ>tp)上升；
t≥t2,vi=0,c放电，vo=vc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=20k ，c=200pf，若输入f=10khz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=2010320010 12s=410 6s=4s
2) 求方波的脉冲宽度。
3) 结论：因，所以是微分电路。
例10.1.2] rc电路中，若c=0.1 f，输入脉冲宽度tp=0.5ms，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 =rc≥3tp
则 即r≥15k
所以r值至少为15k 。
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c0)，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：r1两端并联一补偿电容c1。c1最佳值为。
3) 结论。
c1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10.1.13 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，，相当于开关闭合。
2．反向偏置时，i=0，vr=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tre——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 tre=5ns
2ak系列锗二极管 tre=150ns
2．正向开通时间ton——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。ibs——基极临界饱和电流；
ics——集电极饱和电流，ics= ibs；
vces——集射极饱和管压降。
则。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ib>ibs ，饱和；
若0若ib≤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ton ——从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 ——从三极管输入关闭信号瞬间开始至ic降低到0.1ics所需的时间。
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，cs ——加速电容。
2．原理。1) vi 时，cs视作短路，可提供一个很大的正向基极电流ib，使v迅速进入饱和状态。随着cs的充电，ib逐渐减小并趋于稳定(由vi、-vgb、及r1、r2决定)，此时cs相当于开路。
2) vi 时，vi 与发射极e相连， vcs反向加至发射结，由于cs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cs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)
vgb——基极电源(可省)；
v——开关三极管；
rk，rb——基极偏置电阻；
rc——集电极负载电阻；
vg——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，vt=4v。
2．工作原理。
vi=0时，vgsvi=20v时，vgs>vt，v导通，vo=vdd-idrd=0.2v，为低电平。
3．功能：反相器。
4．缺点。为满足vo为低电平，当vdd、id一定时，由vo=vd，idrd，rd大些好；但当vo恢复为高电平时，由于寄生电容cl的存在，充电时间常数τ=rdcl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。