数字电路技术题目解答第五部分共14题

  【题目3】：怎样判断双极型三极管的工作状态是截止、放大还是饱和导通？

【相关知识】：三极管的开关特性，三极管基本开关电路，三极管伏-安特性曲线。

【解题方法】：从对三种状态的要求出发，分析对外部电路的要求。

【解答过程】：在图1所示的双极型三极管基本开关电路中，输出的高、低电平分别代表逻辑状态的１和０。因此，希望高电平尽量接近，低电平尽量接近零，也就是希望三极管的c－e之间尽量接近于理想开关。这就要求输入信号为低电平时三极管完全截止，为高电平时三极管饱和导通。

        1 工作在截止状态的条件和特性

        工作在截止状态的条件是。如果采用图2的折线化近似特性，则近似地认为时三极管便已经截止。截止状态下三极管的特性是。因为没有流过，所以上没有压降，故。

        实际上三极管处于截止状态下不可能绝对为零，但此时的漏电流极小，所以认为不会引起很大的误差。这时三极管的c－e之间就相当于一个断开的开关。

        2 工作在放大状态的条件和特性

        工作在放大区的条件是（硅三极管的），而且。放大状态下的特性是三极管导通，，而且当为正时（NPN管），随着的增加而成比例地增加。这个比例系数称为电流放大系数β（即）。

        由于流过，在上产生压降，所以将随的增加而降低，即：

                （１）

        这时既不是，也不是零，而是与零之间的某个数值。

        3 工作在饱和导通状态的条件和特性

        工作在饱和导通状态的条件是；而且，使得足够大，的值接近于。这时几乎全部降在上，只剩下一个很小的饱和导通压降。称为饱和基极电流，它的数值可用下式计算

                （２）

        饱和导通状态下增加时已不能再随之按比例增加，所以也不能再减小了，于是三极管的c－e间最后只有一个很小的饱和压降（约在0.1V以下）和一个很小的导通内阻（可小至几欧姆）。这时三极管的ｃ－ｅ间就近似于一个接通的开关。

        由式（2）可见，不仅和三极管本身的性能（、β）有关，还和外接电路参数（，）有关。求出以后，还要从输入回路计算出输入信号实际提供的值，只有当时，三极管才能进入饱和导通状态。

  【题目4】：三种不同的二极管开关等效电路各适用于什么场合？

【相关知识】：二极管的开关特性，二极管伏-安特性曲线，二极管主要参数，二极管的大信号模型和小信号模型等有关知识。

【解题方法】：任何等效电路都有一定的近似条件。使用前，必须弄清它的适用条件，或者叫做限定条件。在限定条件下的近似才是合理的、有效的。

【解答过程】：实际测试结果表明，二极管的伏－安特性并非理想的开关特性（理想开关正向导通时的导通内阻和导通压降等于零，反向截止时截止内阻为无穷大），而是如图１中的曲线。

        在计算含有二极管的电路时，为了简化计算，在允许的误差范围内，希望能用一个由线性元件和理想开关组成的开关等效电路替代二极管。而且，希望这个开关等效电路越简单越好。但是，这种近似替代必须保证由此而引起的计算误差不超过允许的限度。根据戴维南定理，我们总可以把二极管以外的电路部分简化为一个等效电压源和一个等效内阻串联的电路，如图２所示。

        由图可见，当为负时，加在二极管两端的是反向电压。由于硅二极管的反向电阻一般都在数兆欧以上，所以在二极管处于反向偏置状态下，可以近似地认为回路电流ｉ等于零。因此，可用一个断开的开关近似代替反向偏置状态下的二极管。当为正时，二极管将导通，有回路电流ｉ流过。由曲线上可以看到，二极管处于正向导通状态时它的管压降不等于零，而且与电流的大小呈非线性关系，这就给严格的定量计算带来了不便。根据二极管的具体工作条件，即外接电路的具体情况，我们可以采取相应的近似代替方法：

        ① 若远大于二极管的导通压降，而且远大于二极管的正向导通内阻，则计算回路电流时可以忽略二极管的和，把二极管近似为一个闭合的开关。在这种条件下，二极管的开关等效电路相当于一个受外加电压极性控制的理想开关，外加电压为正时开关接通，外加电压为负时开关断开，如图2(ｃ)所示。

        ② 若，而与VCC相比不可忽略，则计算回路电流时可以忽略，但不能忽略。这时就可以用图2（b）中的折线代替二极管的伏－安特性曲线，从而得到图2（b）中的开关等效电路。在数字集成电路中，使用的电源电压几乎都在５Ｖ以下，而硅二极管充分导通时的压降为0.6～0.7V，导通内阻只有几十至几百欧姆，所以符合图2（b）开关等效电路的应用条件。

        ③ 若与相比不可忽略，与相比也不可忽略，则计算回路电流时既需要考虑的存在，又需要考虑的影响，因此用图2(a)中的折线代替二极管的实际特性曲线。折线与横轴的交点表示二极管的导通压降，折线上段的斜率表示二极管的导通内阻。