三极管的开关特性与三种基本门电路

1．2．8．1 二极管、三极管的开关特性

1．二极管的开关特性

在模拟电子技术中我们知道，利用二极管的单向导电性，可以把它作为电子开关使用。

二极管的开关特性如图1－28所示。

图1－28 二极管的开关特性

(a)正偏时相当于开关闭合; (b)反偏时相当于开关断开

(1)二极管正向偏置时，I≠0，VR=VI－VO≈VI，电阻很小，相当于开关闭合。

(2)二极管反向偏置时，I≈0，VR≈0，电阻很大，相当于开关断开。

2．三极管的开关特性

由三极管的工作原理可知，三极管的输出特性可划分为3个区域: 截止区、放大区和饱和区。三极管在输入信号的作用下稳定地处于饱和区时就相当于开关接通; 处于截止区时就相当于开关断开。

在图1－29所示电路中，三极管在开关状态下的工作特点:

图1－29 三极管工作状态的转换

(a)电路; (b)工作状态图

(1)截止状态: u B＜0，两个PN结均为反偏，i B≈0，i C≈0，v CE≈VCC。三极管呈现高阻抗，类似于开关断开。

(2)放大状态: u B＞0，发射结正偏，集电结反偏，i C=βi B。

(3)饱和状态: u B＞0，两个PN结均为正偏，i B≥IBS(基极临界饱和电流)≈VCC/βRC，此时i C=ICS(集电极饱和电流)≈VCC/RC。三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。

(4)开关时间: 三极管工作在开关状态时，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。

开通时间ton是指三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间称为开通时间。

关闭时间toff是指三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间称为关闭时间。

开通时间和关闭时间的大小反映了三极管由截止到饱和与从饱和到截止的开关速度，它们是影响电路工作速度的主要因素。

在数字逻辑电路中，三极管被作为开关元件工作在饱和与截止两种状态，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。

1．2．8．2 三种基本的门电路

1．二极管与门电路

电路如图1－30所示。设输入信号的低电平为0V，高电平为3V。当输入A、B中有一个或全部为低电平时，则输入为低电平支路中的二极管导通，输入为高电平支路中的二极管反偏而截止，输出Y为低电平。当输入A、B全为高电平时，输出Y才为高电平。

当A=0，B=0时，V1、V2均导通，Y=0;

当A=0，B=1时，V1先导通，使V2截止，Y=0;

当A=1，B=0时，V2先导通，使V1截止，Y=0;

当A=1，B=1时，V1、V2均导通，Y=1。

图1－30 二极管与门电路与逻辑符号

所以，这是一个与门电路，Y=A·B。

2．二极管或门电路

电路组成如图1－31所示。当输入A、B中，只要有一个以上为高电平，则接高电平支路中的二极管导通，接低电平支路中的二极管反偏而截止，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为低电平时，输出Y才为低电平。

图1－31 二极管或门电路与逻辑符号

当A=0，B=0时，V1、V2均导通，Y=0;

当A=0，B=1时，V2先导通，使V1截止，Y=1;

当A=1，B=0时，V1先导通，使V2截止，Y=1;

当A=1，B=1时，V1、V2均导通，Y=1。

所以，这是一个或门电路，Y=A+B。

3．三极管非门电路

(1)电路组成

三极管非门电路如图1－32所示。加负电源VBB是为了保证A为低电平时，三极管V1能够可靠地截止，加VQ和二极管V2的作用主要是使输出高电平为规定值。

(2)工作原理

当输入A为高电平时，如适当选择R1、R2的数值，使三极管有足够大的基极电流而饱和，则输出电位等于三极管的饱和压降，约0．3V。当输入A为低电平时，－VBB通过R1、R2分压，使基极处于负电位，三极管因发射结反偏而可靠截止，由于VCC＞VQ使V2导通，所以输出电位被钳制在VQ。

图1－32 三极管非门电路与逻辑符号

当A=0时，三极管截止，Y=1;

当A=1时，三极管饱和，Y=0;

逻辑关系: Y=¯A。