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1、数字电路研究性学习 1数字电路研究型课题课题：基于三极管的输入伏安特性曲线和输出伏安特性曲线，浅谈非线性电路理论和线性电路理论、数字电路和模拟电路关键字：三极管 数字电路 模拟电路 线性 非线性摘要：本文以三极管的特性为切入点，联系模拟电路与数字电路，浅谈了线性电路和非线性电路理论正文：一、三极管的组成结构：三极管由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结 结构图如图 1发射区 发射极 发射结三个区 集电区 三个极 集电极 两个结基 区 基 区 集电极三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才能起放大作用。 图 1 三极管结构二、三极管的伏安特性曲线 输入特性曲线:Ib=f(Ube) Uce
2、=C BECBEC数字电路研究性学习 2B 是输入电极，C 是输出电极，E 是公共电极。Ib是输入电流， Ube是输入电压，加在 B、E 两电极之间。IC是输出电流， Uce是输出电压，从 C、E 两电极取出。 1. Uce=0V 时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。2. 当 Uce 1V 时， Ucb= Uce - Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但 Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。图 2 输入特性曲线 输出特性曲线IC=f(Uce) Ib=C
3、可以分为三个区域:饱和区:(1) IC受 Uce显著控制的区域，该区域内 Uce的数值较小，一般 Uce0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏(2) Uces=0.3V 左右 截止区： Ib=0 的曲线的下方的区域Ib=0 Ic=Iceo NPN： Ube0.5V,管子就处于截止态通常该区：发射结反偏，集电结反偏。 数字电路研究性学习 3图 3 输出特性曲线放大区 IC平行于 Uce轴的区域，曲线基本平行等距。(1) 发射结正偏，集电结反偏，电压 Ube大于 0.7V 左右(硅管) 。(2) Ic=Ib,即 Ic主要受 Ib的控制。(3) 饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集
4、电结反偏或： Ube0.5V（Si) Ube0.2V（Ge)放大区: 发射结正偏，集电结反偏。表 1 三极管工作模式工作模式 射极电压 集电极电压饱和 正向偏压 正向偏压线性 正向偏压 反向偏压反向 反向偏压 正向偏压截止 反向偏压 反向偏压表中同时列出了四种工作方式的主要用途。 三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表 0 与 1（或 1 与 0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化
5、，故 可用作信号放大器。数字电路研究性学习 4截止区当 Ube0 时，则 Ib0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即 Ic=Iceo称为穿透电流，常温时 Iceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流 Icbo的关系是：Icbo=(1+)I cbo 常温时硅管的 Icbo小于 1 微安，锗管的 Icbo约为 10 微安，对于锗管，温度每升高 12，I cbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高 8， Icbo数值增大一倍，虽然硅管的 Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的 Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当
6、晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，I c随 Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。 饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，I c基本上不随 Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。 三、非线性电路非 线 性 电 路 是 含 有 除 独 立 电 源 之 外 的 非 线 性 元 件 的 电 路 。(一 ) 应 用 ：1、 模拟电子线路中，广泛应用了非线性元件的非线性特性（如三极管的放大功能、振荡、锁相环、调谐、解调等）。分析非线性器件响应特性时,必须注明它的控制变量,控制变量不同,描述非线性器件的函数也不同. 非线性器件的描
7、述与控制变量有关,并且可能出现负值参数。非线性器件分析不满足叠加原理。 （利用自激振荡、谐波、频率捕捉等特点） 2、 构成多种分力式模块（如乘法器、锁相环、存储器等）3、具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。利用晶体的非线性光学效应，可以制成二次谐波发生器，上、下频率转换器，光参量振荡器等非线光学器件。激光器产生的激光可通过非线性光学器件进行频率转换，从而获得得更多有用波长的激光，使激光器得到更广泛的应用。 （利用其频率转换等特点）4 在液压系统中，控制阀几乎都是非线性器件，其输入与输出之间的关系或是“凹”,或是“凸”,或是“S”型。甚至还有一些控制阀的动作极不正常,使流量控制数字电路研
8、究性学习 5问题变得更糟。而变频驱动(VFD)其本身是一个非线性设备,但是能节省能源。(二 ) 特 点 ： 稳 态 不 唯 一用 刀 开 关 断 开 直 流 电 路 时 ， 由 于 电 弧 的 非 线 性 使 这 时 的 电 路 出 现 由 不同 起 始 条 件 决 定 的 两 个 稳 态 一 个 有 电 弧 ， 因 而 电 路 中 有 电 流 ； 另 一 个 电弧 熄 灭 ， 因 而 电 路 中 无 电 流 。 线 性 电 路 通 常 只 有 一 个 稳 态 。 但 有 些 非 线 性 电路 的 稳 态 可 以 不 止 一 个 。 例 如 ， 用 刀 开 关 断 开 某 个 直 流 电 路
9、， 当 开 关 的 刀 和固 定 触 头 之 间 的 距 离 不 够 大 （ 例 如 距 离 为 d） 时 ,刀 与 触 头 之 间 可 以 出 现 稳定 的 电 弧 ， 电 路 中 有 电 流 ， 这 是 电 路 的 一 个 稳 态 ； 增 加 上 述 距 离 使 电 弧 熄 灭后 ,再 使 此 距 离 减 少 到 d,却 见 不 到 电 弧 ,电 路 中 没 有 电 流 ， 这 是 另 一 个 稳 态 。电 弧 的 非 线 性 特 性 使 这 个 电 路 有 两 个 稳 态 。 电 路 处 于 何 种 稳 态 由 起 始 条 件 决定 。 自 激 振 荡在 有 些 非 线 性 电 路 里
10、， 独 立 电 源 虽 然 是 直 流 电 源 ， 电 路 的 稳 态 电 压 （ 或电 流 ） 却 可 以 有 周 期 变 化 的 分 量 ， 电 路 里 出 现 了 自 激 振 荡 。 音 频 信 号 发 生 器的 自 激 振 荡 电 路 中 因 有 放 大 器 这 一 非 线 性 元 件 ， 可 产 生 其 波 形 接 近 正 弦 的 周期 振 荡 。 在 含 有 直 流 独 立 电 源 的 线 性 电 路 中 ， 稳 态 下 的 电 压 、 电 流 是 不 随 时 间 变化 的 直 流 电 压 、 直 流 电 流 。 但 在 有 些 非 线 性 电 路 里 ， 独 立 电 源 虽 然
11、是 直 流 电源 ， 电 路 的 稳 态 电 压 (或 电 流 )却 可 以 有 周 期 变 化 的 分 量 ， 电 路 里 出 现 了 自 激振 荡 。 例 如 ， 音 频 信 号 发 生 器 的 自 激 振 荡 电 路 中 因 有 放 大 器 这 一 非 线 性 元 件而 成 为 非 线 性 电 路 。 这 个 电 路 可 以 产 生 其 波 形 接 近 正 弦 的 周 期 振 荡 。 自 激 振荡 可 以 分 为 两 种 。 软 激 励 ： 电 路 接 通 后 就 能 激 起 振 荡 。 硬 激 励 ： 电 路 接 通 后 ，一 般 不 能 激 起 振 荡 ， 电 路 处 于 直 流 稳
12、 态 。 必 须 另 外 加 一 个 幅 度 较 大 、 作 用 时间 很 短 的 激 励 ， 电 路 里 才 会 激 起 振 荡 。 在 这 样 的 电 路 中 便 有 两 个 稳 态 ： 一 个是 直 流 稳 态 ， 一 个 是 含 周 期 振 荡 的 稳 态 。 谐 波正 弦 激 励 作 用 于 非 线 性 电 路 且 电 路 有 周 期 响 应 时 ， 响 应 的 波 形 一 般 为 非正 弦 的 ， 含 有 高 次 谐 波 分 量 或 次 谐 波 分 量 。 例 如 ， 整 流 电 路 中 的 电 流 常 会 有高 次 谐 波 分 量 。 也 可 以 有 频 率 低 于 激 励 频
13、率 的 次 谐 波 分 量 。 整 流 电 路 中 的 电流 常 会 有 高 次 谐 波 分 量 。 将 铁 心 线 圈 和 合 适 的 电 容 器 串 联 接 到 正 弦 电 压 源 上 ，数字电路研究性学习 6构 成 铁 磁 谐 振 电 路 ， 其 中 的 电 流 可 含 有 频 率 是 电 源 频 率 1/3 的 次 谐 波 分 量 ，称 1/3 次 谐 波 。 跳 跃 现 象非 线 性 电 路 中 ， 参 数 （ 电 阻 、 电 感 、 振 幅 、 频 率 等 ） 改 变 到 分 岔 值 时响 应 会 突 变 ， 出 现 跳 跃 现 象 。 铁 磁 中 就 会 发 生 电 流 跳 跃
14、现 象 。 电 路 的 响 应 与电 路 的 各 种 参 数 有 关 。 电 谐 振 电 路 阻 、 电 感 、 正 弦 电 源 的 振 幅 和 频 率 都 是 参数 。 当 某 个 参 数 有 微 小 变 化 时 ， 响 应 一 般 也 有 微 小 变 化 。 但 在 非 线 性 电 路 里 ，当 参 数 改 变 到 分 岔 值 时 ， 响 应 会 突 变 ， 出 现 跳 跃 现 象 。 考 虑 一 个 有 合 适 电 容值 的 铁 磁 谐 振 电 路 ， 以 正 弦 电 压 源 的 有 效 值 U 作 为 控 制 参 数 。 平 滑 地 、 缓慢 地 改 变 U 时 ,电 流 有 效 值
15、I 一 般 随 之 平 滑 地 变 化 ， 图 中 两 条 实 线 表 示 这 种变 化 ， 箭 头 代 表 变 化 方 向 。 当 电 压 U 由 0 增 加 时 ， 电 流 按 曲 线 变 化 。 当U 达 到 分 岔 值 U2 时 ,电 流 会 突 然 增 加 ,以 后 电 流 沿 曲 线 变 化 。 当 U 由 大 于U2 的 值 减 少 到 分 岔 值 U1 时 ,电 流 会 突 然 减 少 。 电 流 跳 跃 性 变 化 用 图 中 虚 线表 示 。 平 滑 地 改 变 电 源 的 频 率 ， 也 可 以 看 到 类 似 的 现 象 。 频 率 捕 捉正 弦 激 励 作 用 于 自 激 振 荡 电 路 时 ， 若 激 励 频 率 与 自 激 振 荡 频 率 二 者 相 差很 小 ， 响 应 会 与 激 励 同 步 。 正 弦 激 励 作 用 于 自 激 振 荡 电 路 时 ， 看 来 有 两 种 频率 的 振 荡 在 电 路 里 起 作 用 ， 一 个 是 激 励 的 频 率 ， 一 个 是 自 激 振 荡 频 率 。 但 当二 者 相 差 很 小 时 ， 电 路 里 只 存 在 频 率 为 激 励 频 率 的 振 荡 ： 响 应 与 激 励 同 步 。这 种 现 象 称 为 频 率 捕 捉 。 混 沌20 世 纪 20 年 代 ， 荷 兰 人 B.范 德
