数字电子技术基础实验指导书

实验一   晶体管开关特性、限幅器与钳位器

一、实验目的
1．观察晶二极管、三极管的开关特性，熟知外电路参数变化对晶体管开关特性的影响。
2．掌握限幅器和钳位器的基本工作原理

二、实验原理
1．晶体二极管的开关特性
由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止这两种不同状态的转换过程。
如图1-1电路输入端，施加一方波激励信号v1，由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置（+v1）变为反向偏置（－v2）时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流－ ，并维持一段时间tS（称为存贮时间）后电流才开始减小，再经tf（称为下降时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流Io，将trr=ts+tf叫做反向恢复时间。
trr与二极管的结构有关，PN结面积小，结电容小，存贮电荷就少，ts就短。同时也与正向导通电流和反向电流有关。
当管子选定后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。
2．晶体三极管的开关特性
晶体三极管的开关特性是指它从载止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一定的时间才能完成。
如图1-2所示的电路，施加一个足够幅度（在－v2和+v1之间变化）的矩形脉冲电压v1激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。可见晶体管T的集电极电流ic和输出电压vo的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，其上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图1-2所示。图中的td为延迟时间，tr为上升时间，ts为存贮时间，tf为下降时间，通常称ton=td+tr为三极管开关的“接通时间”，toff=ts+tf为三极管开关的“断开时间”。形成上述开关特性的主要原因乃是晶体管结电容之故。
改善晶体管开关特性的方法是采用加速电容Cb和在晶体管的集电极加二极管D箝位，如图1-3所示。
Cb是一个近百PF的小电容，当v1正跃变期间，由于Cb的存在，Rb1相当于被短路，v1几乎全部加到基极上，使T迅速进入饱和，td和tr大大缩短。当v1负跃变时，Rb1再次被短路，使T迅速截止，也大大缩短了ts和tf，可见Cb仅在瞬态过程中才起作用，稳态时相当于开路，对电路没有影响。Cb既加速了晶体管的接通过程又加速了断开过程，故称之为加速电容，这是一种经济有效的方法，在脉冲电路中得到广泛应用。
箝位二极管D的作用是：当管子T由饱和进入截止时，随着电源对分布电容和负载电图1-1   晶体二极管的开关特性               图1-2   晶体三极管的开关特性
容的充电，vo逐渐上升。因为Vcc＞E，当vo超过E后，二极管D导通，使vo的最高值被箝位在E，从而缩短vo波形的上升边沿，而且上升边的起始部分又比较陡，所以大大缩短了输出波形的上升时间tr。
3．利用二极管与三极管的非线性特性，可构成限幅器和箝位器。它们均是一种波形变换电路，在实际中均有广泛的应用。二极管限幅器是利用二极管导通时和截止时呈现的阻抗不同来实现限幅，其限幅电平由外接偏压决定，三极管则利用其截止和饱和特性实现限幅。箝位的目的是将脉冲波形的顶部或底部箝制在一定的电平上。