半导体二级管和三极管的开关作用

时间:2023-03-11来源:佚名

在数字电路中,通常用半导体二极管和三极管来模拟开关的导通和断开的状态,即利用了半导体二极管和三极管的开关作用。

1、半导体二级管的开关作用

由于半导体二极管具有单向导电性,即外加正电压时导通,外加反向电压时截止,所以半导体二极管相当于一个受外加电压控制的开关。

如图1所示,当二极管两端加正向电压(见图1(a)),二级管导通,相当于开关闭合(见图1(b));当二极管加反向电压(见图1(c)),二极管截止,相当于开关断开(见图1(d))。

因此,二极管在电路中表现为一个受外加电压ui控制的开关。当外加电压ui为一脉冲信号时,二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。

用二极管取代图1的开关S,就可以得到图2所示的二极管开关电路。

半导体二级管和三极管的开关作用 半导体二级管和三极管的开关作用
图1 半导体二极管的开关特性 图2 半导体二极管开关电路

2、半导体三极管的开关作用

模拟电子技术中已经详细介绍了半导体三极管的结构、特性及电路分析,这里介绍的是半导体三极管在数字电路中的工作状态和工作特点。

用NPN型三极管取代图1中的开关S,就得到了图3所示的三极管开关电路。前面已经讲过双极性三极管有3种工作状态:截止状态、放大状态和饱和状态。在模拟电路中,主要利用三极管的放大状态工作,而在数字电路中,则是利用三极管的截止状态和饱和状态交替工作,实现输出端高、低电平的转换。

半导体二级管和三极管的开关作用
图3 晶体管的基本开关电路

下面介绍如图3所示三极管开关电路中三极管实现开关作用的工作过程。在共射级放大电路中,三极管的输入特性曲线和输出特性曲线如图4所示。

半导体二级管和三极管的开关作用 半导体二级管和三极管的开关作用
图4(a) 输入特性曲线 图4(b) 输出特性曲线

当输入电压ui=0时,三极管的基极-发射极电压uBE=0。由图4(a)所示的输入特性曲线可知,此时iB=0。由图5-1-6(b)所示的输出特性曲线可知,三极管处于截止状态,近似认为iC=0,故uo=VCC,输出高电平,相当于开关断开,如图3所示。

同样的道理,当ui>uon时,iB>0,三极管的工作状态开始进入放大区。随着ui的增大,iB也跟着增大,三极管工作点Q沿着交流负载线上移,当基极的电流iB增大到一定程度,三极管的工作点Q进入饱和区,三极管工作在饱和状态。此时iC≈VCC /RC,uCE≈0,即输出电压uo≈0,输出低电平,相当于开关闭合。

根据以前学过的知识可知,三极管处于饱和状态时三极管的基极电流为半导体二级管和三极管的开关作用,故为使三极管处于饱和状态,开关电路输出低电平,必须保证iB≥IBS

综上所述,只要合理的选择电路参数,保证当ui为低电平时,uBEon,三极管工作在截止状态,三极管的集电极和发射极之间相当于开关断开,输出高电平;当ui为高电平时,iB≥IBS,三极管工作在饱和状态,三极管的集电极和发射极之间相当于开关闭合,输出低电平。

3、MOS管的开关特性

用MOS管代替图中的开关S,就得到了图5所示的MOS管开关电路(以N沟道增强型MOS为例)。

当ui=uGSGS(th)(uGS(th)为MOS管的开启电压)时,MOS管工作在截止区。只要负载电阻RD远远小于MOS管的截止内阻ROFF,输出电压即为高电平uo≈VCC。此时MOS管的D-S间相当于一个开关处于断开状态。

当ui=uGS>uGS(th)并且在uDS较高的情况下,MOS管工作在恒流区,随着ui的升高iD增加,而uo下降。此时MOS管工作在放大状态。

当ui继续升高时,MOS管的导通内阻RON变得很小(通常在1KΩ以内),只要RD>>RON,则开关电路的输出端将为低电平uo≈0.此时MOS管的D-S间相当于一个开关处于闭合状态。

半导体二级管和三极管的开关作用
图5 MOS管基本开关电路

综上所述,只要电路参数选择得当,就可以做到输入为低电平时MOS管截止,开关电路输出高电平;输入高电平时MOS管导通,开关电路输出低电平。

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