數字電路中的晶體(ti) 二極管、晶體(ti) 三極管(簡稱BJT)和MOS管等器件一般是以開關(guan) 方式運用的。研究這些器件的開關(guan) 特性時,除了要研究它們(men) 在導通與(yu) 截止兩(liang) 種狀態下的靜止特性外,還要分析它們(men) 在導通和截止狀態之間的轉變過程,即動態特性。
一、晶體(ti) 二極管的開關(guan) 特性
1.靜態特性
二極管的靜態特性表現為(wei) :正向導通(外加電壓vD>門檻電壓VTH,一般鍺管約0.3V,矽管約0.7V),相當於(yu) 開關(guan) 閉合;反向截止(外加電壓vD<門檻電壓VTH),相當於(yu) 開關(guan) 斷開。圖給出了一個(ge) 矽二極管電路和對應的靜態特性曲線。
2.動態特性
二極管的動態特性是指二極管在導通與(yu) 截止兩(liang) 種狀態轉換過程中的特性。由於(yu) 晶體(ti) 管內(nei) 部電荷的“建立”和“消散”都需要一個(ge) 過程,所以完成兩(liang) 種狀態之間的轉換需要一定的時間。通常把二極管從(cong) 正向導通到反向截止所需要的時間稱為(wei) 反向恢複時間,而把二極管從(cong) 反向截止到正向導通的時間稱為(wei) 開通時間。相比之下,開通時間很短,一般可以忽略不計。因此,影響二極管開關(guan) 速度的主要因素是反向恢複時間:
反向恢複時間tre=存儲(chu) 時間ts+渡越時間tt
二、晶體(ti) 三極管(BJT)的開關(guan) 特性
1.靜態特性
晶體(ti) 三極管(BJT)由集電結和發射結兩(liang) 個(ge) PN結構成。根據兩(liang) 個(ge) PN結的偏置極性,三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態。通過輸入電壓vI對基極電壓加以控製,可使三極管工作在截止、放大、飽和3種工作狀態。在數字電路中,三極管被作為(wei) 開關(guan) 元件工作在飽和與(yu) 截止兩(liang) 種狀態,相當於(yu) 一個(ge) 由基極信號控製的無觸點開關(guan) ,其作用對應於(yu) 觸點開關(guan) 的“閉合”與(yu) “斷開”。
截止狀態:當輸入電壓vI小於(yu) 晶體(ti) 管閾值電壓VTH時,晶體(ti) 管工作在截止狀態,此時,晶體(ti) 三極管類似於(yu) 開關(guan) 斷開。
飽和狀態: 當輸入電壓vI大於(yu) 某一數值,使得晶體(ti) 管的發射結和集電結均處於(yu) 正偏時,晶體(ti) 管工作在飽和狀態,此時,晶體(ti) 三極管類似於(yu) 開關(guan) 接通。
圖2給出了一個(ge) 簡單的NPN晶體(ti) 三極管共射極開關(guan) 電路和對應的輸出特性曲線。
圖2
2.動態特性
晶體(ti) 三極管在飽和與(yu) 截止兩(liang) 種狀態轉換過程中具有的特性稱為(wei) 三極管的動態特性。三極管和二極管一樣,管子內(nei) 部也存在著電荷的建立與(yu) 消失過程。因此,飽和與(yu) 截止兩(liang) 種狀態的轉換也需要一定的時間才能完成。晶體(ti) 三極管動態特性通常用“開通時間”和“關(guan) 閉時間”衡量。
開通時間: 指三極管從(cong) 截止到飽和導通所需要的時間,記為(wei) tON。
開通時間tON=延遲時間td+上升時間tr
關(guan) 閉時間: 指三極管從(cong) 飽和導通到截止所需要的時間,記為(wei) tOFF。
關(guan) 閉時間tOFF=存儲(chu) 時間ts+下降時間tf |
三、MOS管的開關(guan) 特性
MOS集成電路的基本元件是MOS管。MOS管是一種電壓控製器件,它的3個(ge) 電極分別稱為(wei) 柵極(G)、漏極(D)和源極(S),由柵極電壓控製漏源電流。MOS管根據結構的不同可分為(wei) P型溝道MOS管和N型溝道MOS管兩(liang) 種,每種又可按其工作特性進一步分為(wei) 增強型和耗盡型兩(liang) 類。
1.靜態特性
MOS管作為(wei) 開關(guan) 應用時,同樣是交替工作在截止與(yu) 飽和兩(liang) 種工作狀態。
N溝道增強型MOS管的開關(guan) 特性為(wei) :當柵源電壓vGS<開啟電壓VTN時,管子工作在截止狀態,類似於(yu) 開關(guan) 斷開;當柵源電壓vGS>開啟電壓VTN(大約在1~2V之間),且漏源電壓加大到一定程度,滿足vDS≥vGS-VTN時,管子工作在飽和狀態,類似於(yu) 開關(guan) 接通。
P溝道增強型MOS管與(yu) N型溝道增強型MOS管所不同的是,其工作電壓vGS和vDS均為(wei) 負電壓,開啟電壓VTP一般大約在-2.5~-1.0V之間。
2.動態特性
MOS管在導通與(yu) 截止兩(liang) 種狀態發生轉換時同樣存在過渡過程,但其動態特性主要取決(jue) 於(yu) 與(yu) 電路有關(guan) 的電容充、放電所需的時間,而MOS管內(nei) 部電荷“建立”和“消散”的時間很短。