双极型晶体管的开关特性及简单门

所有数字集成电路都是由晶体二极管、晶体三极管和场效应管组成的。它们大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开”，因此被称为电子开关。电子开关较机械开关具有速度高、可靠程度高、无抖动、功耗低、体积小等诸多优点。本节将讨论双极型晶体管的开关特性。

一、晶体二极管的开关特性

在数字电路中，晶体二极管（以下简称二极管）常工作于开关状态，在数字信号作用下，它时而导通，时而截止，相当于开关的“闭合”与“断开”。研究二极管的开关特性，就是要分析它在什幺条件下导通，什幺条件下截止，既要分析其静态开关特性，也要分析它在导通与截止两种状态之间的转换过程，即分析其动态开关特性。

1．    二极管静态开关特性

（1）二极管正向导通时的特点及导通条件

以硅二极管为例，当外加正向电压使二极管承受一定的正向偏置时，二极管正向导通，其电压、电流正方向如图1所示。

图2为二极管的伏—安特性曲线，它是二极管电流与两端电压的关系曲线。

          图1 二极管开关电路      图2  二极管伏—安特性曲线（未按比例画出）

当二极管外加正向电压 ≥ 时，二极管导通，此后，随着外加电压增大，电流按指数规律变化。V_ON是二极管的门槛（阈值、开启）电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。 ≥ 时，特性趋于直线，V_D基本不随电流变化。V_D称为二极管的导通压降，硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。在数字电路的分析估算中，常将V_D=0.7V视为硅二极管的导通条件。

图3 二极管正向导通时的等效电路        图4 二极管截止时的等效电路

图3为二极管正向导通时的等效电路。当外加正向电压V_IH（输入信号高电平）使硅二极管导通后，可近似认为 保持0.7V不变。因此，在数字信号作用下二极管正向导通时，它相当于一个具有0.7V压降的闭合的开关。

（2）二极管截止时的特点及截止条件

当外加电压较小或者承受反向偏置时，二极管截止。

由图2所示的二极管伏—安特性曲线可见，当 ＜ ＜ 时二极管截止，只有很小的反向漏电流 流过二极管。硅管的反向漏电流       ＜1 ，，锗管的 ＜20 ，

≤ 时，二极管反向击穿。 是二极管的反向击穿电压。

          在数字电路的分析计算中，常将 ＜ 视为硅二极管的截止条件。实际电路中，外加压常使 ≤０，以保证二极管可靠截止。

图4为二极管截止时的等效电路，当外加数字信号为 （输入信号低电平，小于 ）时，二极管截止。此时，可认为 为０，二极管如同断开的开关。

2. 二极管动态开管特性

工作在开关状态的二极管除了有导通和截止两种稳定状态外，还要在导通和截止之间转换，这个转换的过程称为二极管动态过程（或过渡过程）。当输入电压波形如图5（a）时，理想开关的输出电流波形如图5（b）所示。实际的输出波形如图5（c）所示。

图5  二极管开关的过渡过程

（a）      输入电压波形；（b）理想过渡过程；（c）实际过渡过程。

由图5可见，在 时刻，二极管从正向偏置突变为反向偏置，由于二极管存在结电容且在导通后充电，因此二极管在由导通转变到截止的过程中，在二极管内产生了很大的反向电流 ，二极管才进入截止状态。 是二极管从导通到截止所需的时间，称为反向恢复时间。小功率开关管的 一般为纳秒数量级。反向恢复时间 对二极管开关动态特性有很大影响。若二极管两端输入电压的频率过高，以至输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间时，二极管将失去其单向导电性。当然，二极管从截止到导通也是需要时间的，这段时间称为开通时间 ，这段时间较短，一般可以忽略不计。所以二极管作为开关使用时与理想开关在静特性和动特性方面都是有一定差别的，但一般可以近似将其视为理想开关。

3. 二极管的开关参数

这里仅介绍二极管作为开关应用时的一些参数。

（1）反向恢复时间 ：指在规定负载、正向电流及最大反向瞬态电流下测出的反向恢复时间。例如，硅开关管2CK15，当负载电阻为50 时，由正向电流 =10 变为最大反向电流 =10 的10%时， =5ns。

（2）零偏压电容：指二极管两端电压为零时，扩散电容和结电容的容量之和。例如2CK15的零偏压电容小于5Pf。

4. 二极管开关的应用

二极管开关的应用范围很广，可以组成脉冲极性选择电路、限幅电路和钳位电路等，分析电路是将其视为理想开关，即正向导通时忽略其正向压降，相当于开关短路接通，电阻为零；反向截止时忽略其反向漏电流，相当开关断开，电阻无穷大。

下面简要介绍开关二极管的应用。

（1）脉冲极性选择电路

数字电路中，经常需要单一方向变化的脉冲信号。这可以用图6(a)所示的开关电路实现，当电路的输入信号为图6(b)上图所示的交流脉冲波时，利用开关二极管的单向导电性，在输出端即可得到正极性脉冲如图6(b)下图所示。若要选择负极性脉冲，则把图6(a)中的二极管反接即可实现。

图6 脉冲极性选择电路及波形

（a）电路；（b）输入信号、输出正极性脉冲。

（2）限幅电路

数字电路所能处理的信号幅度有一定的要求，例如为+5V。若输入信号幅度过大，可以利用图7(a)所示电路将其变换为所需的幅度。设VD₁和VD₂为理想二极管，当电路输入如图7(b)所示的电压信号 V时，其输出信号电压 的波形如图7(b)所示。分析：当 时，VD₁导通相当于短路，VD₂截止，输出被限定为 =5V。当       ＜﹣V₂时，VD₂导通相当于短路，VD₁截止，输出 被限定为 V。当              ＜ ＜ 时， 和 均截止，输出 = 。

限幅器又称为削波器，如果用一只二极管则为单限限幅器，分为上限幅（只用 ）和下限幅（只用 ）；若不加限幅电压V₁（或V₂）则为零电平限幅器，即将横坐标轴以上（或以下）的波形削去。调节直流电压V₁和V₂，即可以改变输出电压幅度。

（3）钳位电路

图8(a)电路为顶部钳位器，输入信号电压 及其对应输出信号电压 的波形如        图8(b)所示。钳位器的组成特点是RC ＞＞T，即RC耦合电路的时间常数远远大于信号周期T。

              图7 二极管限幅器                    图8二极管钳位器

在 时刻：假定电容C未充电，输入信号 的正跳变使二极管VD正向导通，电容端电压不能突变，输出即为二极管的正向压降（约0.7V，由于二极管的正向导通电阻很小，其余电压降落在信号源内阻上）。而后电容C充电，由于充电回路电阻较小，输出电压 很快按指数规律下降至零，电容C左正右负充满电；

在 时刻：输入电压 由+1V下跳至﹣1V，电容端电压不能突变，输出电压 则由零下跳同样幅度至﹣2V，二极管VD反偏而截止。而后电容C通过电阻R放电，由于R比二极管VD导通时电阻大得多，输出电压变化较缓慢， ~ 期间内 的绝对值略有下降；

在 时刻：输入电压 有﹣1V上跳至+1V，电容端电压不能突变，输出电压则由约-2V上跳同样幅度，二极管VD又正偏导通，重复 时刻的过程， ~ 期间内电容放电损失的电荷得到补充，输出电压略有上升；

在 时刻重复 时刻的过程。

如果将图8（a）电路中二极管VD反方向，则组成底部钳位电路，对应输入信号，输出波形的底部被钳在横坐标上；如果在二极管的下方接人一个直流电压源（可以是正电源，也可以是负电源），则输出波形的底部（或顶部）被钳在钳位电压上，共有四种不同情况。