3.1晶体管的开关特性3.1.13.1.1晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性3.1.23.1.2晶体三极管开关特性晶体三极管开关特性SRV图3- -1- -1 理想开关3.1.13.1.1晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性理想开关的特性：理想开关的特性：(1) 开开关关S断断开开时时，通通过过开开关关的的电电流流i=0，这这时时开开关关两两端端点点间间呈呈现现的的电电阻阻为为无无穷穷大。大。(2) 开开关关S闭闭合合时时，开开关关两两端端的的电电压压v=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。，这时开关两端点间呈现的电阻为零。(3) 开关开关S的接通或断开动作瞬间完成。的接通或断开动作瞬间完成。(4) 上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。二极管稳态开关特性二极管稳态开关特性当当外外加加正正向向电电压压时时，正正向向电电流流随随电电压压的的增增加加按按指指数数规规律律增增加加。图图中中Vth称称为为正正向向开开启启电电压压或或门门限限电电压压，也也称称为为阈值电压阈值电压。iDvDVthISO图3- -1- -2 二极管伏安特性(a) 二极管电路表示二极管电路表示(b) 二极管伏安特性二极管伏安特性iDvD稳稳态态开开关关特特性性：电电路路处处于于相相对对稳稳定定的的状状态态下下晶晶体体管管所所呈呈现现的开关特性。的开关特性。二极管的伏安特性方程为：二极管的伏安特性方程为：iDvDOiDvDVthO图3- -1- -2 二极管伏安特性(c) 理想理想二极管开关特性二极管开关特性(d) 二极管特性折线简化二极管特性折线简化当当二二极极管管作作为为开开关关使使用用时时，可可将将其其伏伏安安特特性性折折线线化化。当当正正向向偏偏置置时时，二二极极管管导导通通，压压降降为为Vth值值，相相当当于于开开关关闭闭合合；当当反反向向偏偏置置时时，二二极极管管截截止止，流流过过的的电电流流为为反反向向饱饱和和电电流流，非非常常小小，相相当当于于开关断开。开关断开。结结论论：在在稳稳态态情情况况下下，二二极极管管开开关关特特性性与与理理想想开开关关存存在在一一定定差差异异。主主要要表表现现为为，正正向向导导通通时时，相相当当于于开开关关闭闭合合，但但两两端端仍仍有有电电位位降降落落；反反向向截截止止时时，相相当当于于开开关关断断开开，存存在在反反向向电电流流。此外，二极管的此外，二极管的Vth和和IS都与温度有关。都与温度有关。通常硅二极管的通常硅二极管的Vth值取值取0.7V，锗二极管取，锗二极管取0.3V。二极管瞬态开关特性二极管瞬态开关特性电电路路处处于于瞬瞬变变状状态态下下晶晶体体管管所所呈呈现现的的开开关关特特性性。具具体体的的说说，就就是是晶晶体体管管在在大大信信号号作作用用下下，由由导导通通到到截截止止或或者者由由截截止止到导通时呈现的开关特性。到导通时呈现的开关特性。理理想想二二极极管管作作开开关关时时，在在外外加加跳跳变变电电压压作作用用下下，由由导导通通到到截截止止或或者者由由截截止止到到导导通通都都是是在瞬间完成，没有过渡过程。在瞬间完成，没有过渡过程。DRvI图3- -1- -3 理想二极管开关特性vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF图3- -1- -4 二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr当当tt1时时，二二极极管管导导通通，导导通通电电压压为为vD0.60.7V（以以硅硅管管为为例例），导通电流导通电流iD=IF=(VFvD)/RVF/R。当当t=t1时时，vI由由VF突突变变为为VR，由由于于存存储储电电荷荷的的存存在在，形形成成漂漂移移电电流流，iD=(vIvD)/RVR/R，使使存存储储电电荷荷不不断断减减少少。从从vI负负跳跳变变开开始始至至反反向向电电流流降降到到0.9IR所所需需的的时时间间，称称为为存存储储时时间间ts。在在这这段段时时间间内内，PN结结维维持持正正向向偏偏置置，反反向向电电流流IR近近似似不变。不变。存储时间存储时间图3- -1- -4 二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr经经过过ts时时间间后后，反反向向电电流流使使存存储储电电荷荷继继续续消消失失，空空间间电电荷荷区区逐逐渐渐加加宽，二极管转为截止状态。宽，二极管转为截止状态。反反向向电电流流由由IR减减小小至至反反向向饱饱和和电电流流值值，这这段段时时间间称称为为下下降降时时间间tf。通通常常以以从从0.9IR下下降降到到0.1IR所所需需时时间间确定确定tf。trr= ts+ tf 称为称为反向恢复时间反向恢复时间。反反向向恢恢复复时时间间是是影影响响二二极极管管开开关关速速度度的的主主要要原原因因，是是二二极极管管开开关关特性的重要参数。特性的重要参数。下降时间下降时间反向恢复时间反向恢复时间图3- -1- -4 二极管瞬态开关特性OvItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr在在tVREF1时时，二二极极管管导导通通，vOvI；当当vIVREF1时时，二二极极管管截截止止，vO=VREF1。这这样样就就将将输输入入波波形形中中瞬瞬时时电电位位低低于于VREF1的的部部分分抑抑制制掉掉，而而将将高高于于VREF1的的部部分分波波形形传传送送到到输输出出端端，实实现现了了下下限限限限幅幅的功能。的功能。演演 示示D1R2VREF2vI(a)vOD2R1VREF1A图3- -1- -6 串联双向限幅器及其工作波形(b)OvOtVREF2VAvI串联双向限幅器串联双向限幅器（假设（假设VREF1VREF2）vI=0时，时，A点电位为点电位为vIVA时时，D1截截止止，D2导导通通，vOVA。实实现现下下限限限限幅幅，限限幅幅电平为电平为VA 。vIVREF2时时，D1导导通通，D2截截止止，vOVREF2。实实现现上上限限限限幅幅，限幅电平为限幅电平为VREF2。当当VAvIrD(rD为为二二极极管管导导通通电电阻阻)，时时间间常常数数1= rDCT2(输输入入脉冲休止期脉冲休止期)。在在t1t2期期间间，在在vI由由0正正跳跳变变至至Vm时时，由由于于电电容容两两端端电电压压不不能能突突变变，故故vO正正跳跳变变至至Vm，二二极极管管导导通通，电电容很快充电至容很快充电至Vm，vO很快下降到很快下降到0。DR图3- -1- -9 钳位电路及工作波形vI(a)(b)OvItvOOvOtVmCVmVmVmVVT1T2t1t2t3t4t5t6当当t = t2时时，vI由由Vm负负跳跳变变至至0， vO则则由由0跳跳变变至至Vm。在在t2t3期期间间，二二极极管管截截止止，电电容容通通过过电电阻阻R放放电电，vO缓慢上升。上升值为：缓慢上升。上升值为：当当t = t3时时，vI由由0正正跳跳变变至至Vm， vO从从(Vm+V)值值上上跳跳至至V。之之后后t3t4期期间间二二极极管管导导通通，C很很快快充充电电至至Vm，vO迅迅速速下下降降至至0V。此此后后电电路路工作情况周期性重复。工作情况周期性重复。可可见见，输输出出波波形形的的顶顶部部被被钳钳定定在在0V。DR图3- -1- -10 钳位电平为VREF (VREF)的钳位电路vI(a)vOCVREFDRvI(b)vOCVREF若若需需要要改改变变钳钳位位电电平平，可可以以在在二二极极管管D的的支支路路中中串串接接一一个个电电源源VREF。RCvIvOVCCRBT图3- -1- -11 基本单管共射电路3.1.23.1.2晶体三极管开关特性晶体三极管开关特性在在脉脉冲冲与与数数字字电电路路中中，在在大大幅幅度度信信号号作作用用下下，晶晶体体管管交交替替工作于工作于截止区截止区与与饱和区饱和区，作为开关元件使用。，作为开关元件使用。三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性如如图图3- -1- -11所示基本单管共射电路。所示基本单管共射电路。传传输输特特性性是是指指电电路路的的输输出出电电压压与与输输入入电电压压的的函函数数关关系系。基基本本单单管管共共射射电电路路的的传传输输特特性性曲曲线线大大体体上上分分为为三三个个区区域域：截止区、放大区和饱和区。截止区、放大区和饱和区。图3- -1- -12 单管共射电路传输特性vI/VvO/V10500.511.5截截止止放放大大饱饱和和当当vIVth时时，工工作作于于截截止止区区。发发射射结结和和集集电电结结均均为为反反向向偏偏置置，即即vBvE，vBVth而而小小于于某某一一数数值值（图图中中约约为为1V）时时，工工作作于于放放大大区区。发发射射结结正正偏偏，集集电电结结反反偏偏，即即vBvE，vB1当当vI大大于于某某一一数数值值时时，工工作作于于饱饱和和区区。发发射射结结和和集集电电结结均均为为正正偏偏，即即vBvE，vBvC。且且iB满满足足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此此时时，vO=VCE(sat)0； iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/ RC。晶晶体体管管C、E之间相当于开关闭合。之间相当于开关闭合。在在饱饱和和型型开开关关电电路路中中，稳稳态态时时，当当vI=VIL时时，晶晶体体三三极极管管稳稳定定工工作作于于截截止止状状态态；当当vI=VIH时时，晶晶体体三三极极管管稳稳定定工工作作于于饱饱和和状状态。态。S=iB/IBS称为称为饱和系数饱和系数，S越大，饱和深度越深。越大，饱和深度越深。三极管瞬态开关特性三极管瞬态开关特性当当vI从从V跳跳变变V时时，晶晶体体管管不不能能立立即即导导通通，要要经经历历一一段段延延迟迟时时间间td和和一一个个上上升升时时间间tr，iC才才能能接接近近于于最最大大值值ICS。ton= td+tr称称为为开通时间开通时间。OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff图3- -1- -13 三极管的瞬态开关特性tICS0.9ICS0.1ICS开通时间开通时间OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff图3- -1- -13 三极管的瞬态开关特性tICS0.9ICS0.1ICS关断时间关断时间当当vI从从V跳跳变变V时时，晶晶体体管管也也不不能能立立即即截截止止，要要经经历历一一段段存存储储时时间间ts和和一一个个下下降降时时间间tf，iC才才逐逐渐渐下下降降到到0。toff= ts+tf称称为为关关断断时间时间。(1) 晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程。晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程。可分为可分为发射结由反偏至正偏发射结由反偏至正偏和和集电极电流形成集电极电流形成两个阶段。两个阶段。12345x=0x=wNPNQBSnb(x)pc(x)QCSpe(x)图3- -1- -14 晶体三极管基区少子 浓度分布曲线发发射射结结变变为为正正偏偏，并并逐逐渐渐形形成成集集电电极极电电流流所所需需的的时时间间，即即为为延延迟迟时时间间td，其其长长短短取取决决于于晶晶体体三三极极管管的的结结构构和和电电路路工工作作条条件件。三三极极管管结结电电容容越越小小， td越越短短；三三极极管管截截止止时时反反偏偏越越大大，td越越长长；正正向向驱驱动动电电流流越越大，大，td越短。越短。发发射射结结正正偏偏后后，集集电电极极电电流流iC不不断断上上升升，达达到到0.9ICS所所需需时间即为时间即为上升时间上升时间tr。tr的的大大小小也也取取决决于于晶晶体体三三极极管管的的结结构构和和电电路路工工作作条条件件。基基区区宽度宽度w越小，越小，tr也越小；基极驱动电流越大，也越小；基极驱动电流越大，tr也越短。也越短。(2) 晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。可可分分为为驱驱散散基基区区多多余余存存储储电电荷荷及及驱驱散散基基区区存存储储电电荷荷两两个个阶阶段。段。三三极极管管稳稳定定工工作作于于饱饱和和状状态态时时，基基区区形形成成有有多多余余存存储储电电荷荷的的累累积积QBS，当当vI负负向向跳跳变变时时，QBS全全部部消消失失所所需需时时间间即即为为存存储储时时间间ts。饱饱和和度度越越深深，ts越越长长；基基极极反反向向驱驱动动电电流流越越大大，QBS消消失失越越快，快，ts越短。越短。集集电电结结两两边边多多余余存存储储电电荷荷QBS和和QCS全全部部消消失失后后，集集电电结结转转向向反反偏偏，基基极极反反向向驱驱动动电电流流使使基基区区存存储储电电荷荷QB开开始始消消失失，iC逐逐渐渐减减小小至至0.1ICS所所需需时时间间即即为为下下降降时时间间tf。反反向向驱驱动动电电流流越越大大，tf越短。越短。RCVBBvIvOVCCR1TCVLR1R2R2VBBBEVHR1R2VBBBEVBE(sat)iBi1i2(a)(b)(c)图3- -1- -15 晶体三极管反相器晶体三极管开关应用电路晶体三极管开关应用电路利利用用晶晶体体三三极极管管作作开开关关，最最常常用用、最最基基本本的的电电路路是是反反相相器器电路。电路。当当vI=VL时时，可可靠靠工工作作于于截截止止状状态态；vI=VH时时，可可靠靠工工作作于于饱和状态。饱和状态。当当vI=VL时，为保证可靠截止，要求时，为保证可靠截止，要求vBE0。可可见见，增增大大VBB，或或增增大大R1、减减小小R2，对对截截止止有有利利。三三极极管管截止时，截止时，vO=VH=VCC。当当vI=VH时时，晶晶体体三三极极管管饱饱和和，vO=VL=VCE(sat)0。增增大大R2、减小减小R1，对可靠饱和有利。，对可靠饱和有利。由此可见，由此可见，输出电压与输入电压反相输出电压与输入电压反相，故称反相器。，故称反相器。0