第10章脈衝基礎知識和反相器
教學重點
1．了解脈衝的基本概念與主要引數。
2．理解微分電路、積分電路、脈衝分壓器的基本原理，掌握微、積分電路工作條件和作用。
3．了解二極體、三極體的開關特性及其應用。
4．理解反相器的工作原理。
教學難點
1．rc電路的過渡過程。
2．三極體開關作用。
3．mos管反相器的工作原理。
學時分配
10.1 脈衝基礎知識
10.1.1 脈衝的概念及其波形
1．脈衝的概念
脈衝技術是電子技術的重要組成部分，應用廣泛。
動畫脈衝的概念
脈衝：含有瞬間突然變化、作用時間極短的電壓或電流稱為脈衝訊號，簡稱為脈衝。
2．常見的幾種脈衝波形如圖10.1.1所示。
10.1.2 矩形脈衝波
1．矩形脈衝波的主要引數
脈衝技術最常用的波形是矩形波、方波。
理想的矩形波如圖10.1.2所示：上公升沿、下降沿陡直；頂部平坦。
圖10.1.2 理想的矩形波波形圖10.1.3 實際的矩形波波形
實際的矩形波波形如圖10.1.3所示。
主要引數：
(1) 幅度vm ——脈衝電壓變化的最大值。
(2) 上公升時間tr ——脈衝從幅度的10%處上公升到幅度的90%處所需時間。
(3) 下降時間tf ——脈衝從幅度的90%處下降到幅度的10%處所需的時間。
(4) 脈衝寬度tp——定義為前沿和後沿幅度為50%處的寬度。
(5) 脈衝週期t——對週期性脈衝，相鄰兩脈衝波對應點間相隔的時間。週期的倒數為脈衝的頻率f，即
2．矩形波的分解
如圖10.1.4所示。
矩形波可由基波和多次諧波疊加而成。基波的頻率與矩形波相同，諧波的頻率為基波的整數倍。矩形波的數學表示式為
10.1.3 rc微分電路和積分電路
一、rc電路的過渡過程
1．rc電路：電阻r和電容器c構成的簡單電路。是脈衝電路的基礎。
2．特點：由於c兩端電壓不能突變，所以在充、放電時必須經歷乙個過渡過程。
3．rc電路的充放電過程
動畫 rc充放電
4．結論
(1) 充放電時電容兩端電壓、電流呈指數規律變化。
(2) 充放電的速度與時間常數τ有關，τ=rc，單位為s。τ越大，充放電越慢； 越小，充放電越快。
實驗證明：
當t=0.7τ時，充電電壓為vg的一半；放電電壓為電容器兩端電壓vc的一半；
當t=(3~5) 時，充放電過程基本結束(如圖10.1.5所示)。
5．rc電路的主要應用：
波形變換。常用電路有微分電路、積分電路。
二、rc微分電路
1．電路組成如圖10.1.6所示。
2．電路特點
(1) 輸出訊號取自rc電路中的電阻r兩端。即vo=vr；
(2) 時間常數 τ<3．工作原理
動畫 rc微分電路
4．電路功能
將矩形波變換成尖峰波，檢出電路的變化量。如圖10.1.7所示。
圖10.1.7 微分電路波形圖圖10.1.8 rc積分電路
三、rc積分電路
1．電路組成如圖10.1.8所示
2．電路特點
(1) vo取自rc電路的電容c兩端。即vo=vc；
(2)τ>>tp，通常τ≥3tp；
3．工作原理
t≥t1,vi=vm ,c充電，vo=vc以指數規律緩慢(τ>>tp)上公升；
t≥t2,vi=0,c放電，vo=vc以指數規律下降；
4．功能：將矩形波轉換成鋸齒波(三角波)。
5．應用
(1) 應用「積分延時」現象，把跳變電壓「延緩」；
(2) 從寬窄不同的脈衝串中，把寬脈衝選出來。
[例10.1.1] rc電路中，r=20k ，c=200pf，若輸入f=10khz的連續方波，問此rc電路是微分電路，還是一般阻容耦合電路？
解 (1) 求電路時間常數
τ=rc=2010320010 12s=410 6s=4s
(2) 求方波的脈衝寬度
(3) 結論：因，所以是微分電路。
[例10.1.2] rc電路中，若c=0.1 f，輸入脈衝寬度tp=0.5ms，要構成積分電路，電阻r至少應為多少？
解構成積分電路必須 =rc≥3tp
則即r≥15k
所以r值至少為15k 。
10.1.4 rc脈衝分壓器
1．問題的提出
在低頻放大器中，訊號的衰減常用電阻分壓器來實現；在脈衝電路中，若採用電阻分壓器，由於存在分布電容和負載電容(統稱寄生電容c0)，傳輸脈衝訊號就會產生失真。如圖10.1.
11所示。
2．解決辦法——採用脈衝分壓器
(1) 電路如圖10.1.12所示。
(2) 特點：r1兩端併聯一補償電容c1。c1最佳值為
(3) 結論
c1要適當：過小，欠補償；過大，過補償。補償電容對輸出波形的影響如圖10.1.13所示。
圖10.1.13 補償電容對輸出脈衝波形的影響
10.2 電晶體開關特性
在脈衝電路中，二極體和三極體通常作為「開關」使用。
10.2.1 二極體的開關特性
一、二極體的開關作用
二極體的開關作用如圖10.2.1所示。
（a）正偏時相當於開關閉合
(b)反偏時相當於開關斷開
圖10.2.1 二極體的開關特性
1．正向偏置時，，相當於開關閉合。
2．反向偏置時，i=0，vr=0，相當於開關斷開。
二、二極體的開關時間
二極體的開關時間如圖10.2.2所示。
1．反向恢復時間tre——二極體反偏時，從原來穩定的導通狀態轉換為穩定的截止狀態所需的時間。
例如2ck系列矽二極體 tre=5ns
2ak系列鍺二極體 tre=150ns
2．正向開通時間ton——二極體正偏時，從原來穩定的截止狀態轉換為穩定的導通狀態所需的時間。
實驗證明二極體正向開通時間遠小於反向恢復時間，通常因為它對二極體開關速度的影響很小，可以忽略不計。
所以，二極體的開關速度主要由反向恢復時間決定。
10.2.2 三極體的開關特性
一、三極體開關作用
動畫三極體開關作用
結論：三極體相當於乙個由基極電流控制的無觸點開關。
截止時，相當於開關「斷開」；等效電路：如圖10.2.3（a）所示。
飽和時，相當於開關「閉合」。等效電路：如圖10.2.3（b）所示。
圖10.2.3 三極體的開關作用
二．飽和狀態的估算
1．電路如圖10.2.4(a)所示。
2．定義
ibs——基極臨界飽和電流；
ics——集電極飽和電流，ics= ibs；
vces——集射極飽和管壓降。
則圖10.2.4 三極體的開關工作狀態
3．判斷三極體狀態的條件
若ib>ibs ，飽和；
若0若ib≤0，截止。
三、三極體三種工作狀態(見表10.2.1)
表10.2.1 三極體截止、放大、飽和工作狀態特點
四、三極體開關時間
1．開關時間：三極體在截止狀態和飽和狀態之間轉換所需的時間(如圖10.2.5所示)。包括：
(1) 開通時間ton ——從三極體輸入開通訊號瞬間開始至ic上公升到0.9ics所需的時間。
(2) 關閉時間toff ——從三極體輸入關閉訊號瞬間開始至ic降低到0.1ics所需的時間。
2．減少三極體開關時間的辦法：接加速電容。
10.2.3 加速電容的作用
1．電路
如圖10.2.6所示，cs ——加速電容。
2．原理
(1) vi 時，cs視作短路，可提供乙個很大的正向基極電流ib，使v迅速進入飽和狀態。隨著cs的充電，ib逐漸減小並趨於穩定(由vi、-vgb、及r1、r2決定)，此時cs相當於開路。
(2) vi 時，vi 與發射極e相連， vcs反向加至發射結，由於cs的放電作用，形成很大的反向基極電流，使v迅速截止。
可見，由於cs的存在，加快了電晶體的開關速度。
10.3 反相器
10.3.1 電晶體反相器
1．電路 (圖10.3.1)
-vgb——基極電源(可省)；
v——開關三極體；
rk，rb——基極偏置電阻；
rc——集電極負載電阻；
+vg——集電極電源
2．工作原理
動畫電晶體反相器
3．功能
10.3.2 mos反相器
一、簡單的mos反相器
1．電路如圖10.3.2所示。
v為n溝道增強型場效電晶體，vt=4v。
2．工作原理
vi=0時，vgsvi=20v時，vgs>vt，v導通，vo=vdd-idrd=0.2v，為低電平。
3．功能：反相器
4．缺點
為滿足vo為低電平，當vdd、id一定時，由vo=vd，idrd，rd大些好；但當vo恢復為高電平時，由於寄生電容cl的存在，充電時間常數τ=rdcl就很大，波形失真且影響工作速度。解決辦法——採用mos管作負載。
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