晶體管的開關特性.ppt

1、第 5 章,晶體管的開關特性,5.1 二極管的開關作用和 反向恢復時間 5.2 開關晶體管的靜態(tài)特性 5.3 晶體管開關的動態(tài)特性 5.4 習題,開關晶體管開關原理 （靜態(tài)特性） 晶體管到開關過程 （延遲過程、上升過程、 超量儲存電荷消失過程、 下降過程） 晶體管的開關時間及減小的方法,晶體管（transistor，是轉(zhuǎn)換電阻transfer resistor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（bipolar transistor），或稱雙極結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor，B

2、JT），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。在開關電路中，晶體管作為優(yōu)良的開關元件而被廣泛使用在計算機和自動控制領域中，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的作用。 晶體管的開關特性包括兩部分，一部分是晶體管處于開態(tài)和關態(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

3、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使用。當開關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斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關態(tài)）。,在開態(tài)時，流過負載的穩(wěn)態(tài)電流為I1,V1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

4、VJ遠小于V1，所以上式可近似寫為,在關態(tài)時，流過負載的電流就是二極管的反向電流IR。,把二極管作為開關使用時，若回路處于開態(tài)，在“開關”（即二極管）上有微小壓降；當回路處于關態(tài)時，在回路中有微小電流，這與一般的機械開關有所不同。,說明,二極管的反向恢復時間,假設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

5、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，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

6、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0.1 I2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)的關斷時間（反向恢復時間）。,反向恢復時間限制了二極管的開關速度。 如果脈沖持續(xù)時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斷，起到良好的開關作用； 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斷。 所以要保持良好的開關作用，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，這就限制了開關的速度。,5.2 開關晶體管的靜態(tài)特性,晶體管共射開關電路

7、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。,當基極回路的輸入脈沖為負或等于零時，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。這時晶體管工作在截止區(qū)，集電極電流IC=

8、ICEO，對于性能良好的晶體管，ICEO一般很小，負載電阻上壓降很小，集電極和發(fā)射極之間的壓降VCEVCC。 因此，當晶體管處于截止狀態(tài)時，晶體管相當于一斷開的開關。,將晶體管導通后，工作在飽和區(qū)的開關電路，稱為飽和開關。飽和開關接近于理想開關。 而把晶體管工作在放大區(qū)的開關電路，稱為非飽和開關。這種工作模式，一般用在高速開關電路中。,晶體管的開關作用，是通過基極控制信號（IB），使晶體管在飽和（或?qū)ǎB(tài)與截止態(tài)之間往復轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。 它與理想開關的主要差別在于開態(tài)時晶體管開關 上的壓降 ；關態(tài)時回路中還存在一 定的電流ICEO，因而回路電流 。,小結(jié),練習,P106 1，4，5,開關晶體管

9、的工作狀態(tài),晶體管的工作狀態(tài)完全由直流偏置情況決定。從共射輸出特性曲線上可以看出，隨著偏置電壓的不同，晶體管的工作區(qū)域可以分為飽和區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)三個區(qū)域。 此外，當晶體管的發(fā)射極和集電極相互交換，晶體管處于倒向運用狀態(tài)時，也應該同樣存在上述三個區(qū)域。,為了分析開關特性的需要，我們將倒向（反向）放大區(qū)也一并提出進行分析。,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置情況， 集電極輸出電流IC和基極輸入電流IB之間的關系,飽和區(qū),飽和區(qū)的特點是發(fā)射結(jié)正偏VBE0，集電結(jié)也處于正偏，VBC0，集電極電流和基極電流間滿足ICIB的關系。,基極回路中輸入一幅值VIVBB的正脈沖，基極電流IB將立即跳變，晶體管將沿著輸出特性

10、的負載線，由截止區(qū)進入放大區(qū)。這時，集電極電流IC隨著IB的增大而很快上升，管壓降VCE則隨著IC的增大而下降。當管壓降下降到VCE=VCC-ICRL=VBE時，集電結(jié)由反偏變?yōu)榱闫?，使集電結(jié)收集載流子的能力減弱，IC隨IB增長的速度開始變慢，這時晶體管即進入臨界飽和狀態(tài)。,臨界飽和時集電極電流,晶體管達到臨界飽和時的基極驅(qū)動電流，稱為臨界飽和基極電流IBS。,若基極驅(qū)動電流IBIBS，則晶體管將處于過驅(qū)動狀態(tài)，過驅(qū)動電流,過驅(qū)狀態(tài)下，集電結(jié)正偏，晶體管處于飽和狀態(tài)，過驅(qū)動電路越大，飽和深度越深。,晶體管的飽和程度，可以用飽和深度S來描述。,臨界飽和，S=1 深度飽和，S1,截止區(qū),發(fā)射結(jié)反偏

11、，集電結(jié)反偏，IC=ICEO0。,基極電流IB則由這兩個電流組成，因而IBIEBO+ICBO。由于基極電流很小，因此，可以用輸出特性曲線中IB=0的一條線作為放大區(qū)和截止區(qū)的分界線。,5.3 晶體管開關的動態(tài)特性,為使晶體管具有良好的開關狀態(tài)，有以下五個要求： （1）ICE0小，使開關電路截止時接近于斷路（開路），關斷性良好； （2）VCES小，使開關電路接通時接近于短路狀態(tài)，接通性良好； （3）開關時間盡可能短，這點將在以后內(nèi)容中詳細分析； （4）啟動功率小，啟動功率是晶體管從截止態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蛻B(tài)時所需的功率IBVBES； （5）開關功率大，即要求在截止態(tài)時能承受較高的反向電壓，在導通時，允許

12、通過較大的電流；,非飽和開關電路：工作在截止區(qū)和放大區(qū)，開關速度快，但對晶體管的參數(shù)均勻性要求高，輸出電平也不夠穩(wěn)定。 飽和開關電路：工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，輸出電平較穩(wěn)定，對晶體管參數(shù)的均勻性要求不高，電路設計簡單；只是開關速度慢。,飽和開關電路和非飽和開關電路的比較,開關過程的動態(tài)分析（NPN管）,延遲過程,上升過程,超量儲存電荷消失過程,下降過程,延遲過程,t=t1時，IC才上升到0.1ICS，時間td= t1 - t0稱為延遲時間。,上升過程,在t=t2時刻，IC達到0.9ICS，tr=t2- t1稱為上升時間。,上升過程中，由于電流過驅(qū)動而儲存電荷，載流子積累過程中存在載流子的復合，復合使積累速度變慢。,超量儲存電荷消失過程,當t=t4時，IC=0.9ICS，定義ts=t4-t3為儲存時間。,下降過程,集電極電流IC也就從0.9ICS逐步下降到0.1ICS，在t=t5時，IC=0