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1、计算机电路基础(第二版),何超 主 编 中国水利水电出版社,第8章 脉冲与脉冲电路,本章提要 脉冲和脉冲电路是数字电路的基础。本章首先介绍脉冲波形及其参数，继而讨论RC电路的充放电规律及其应用，最后讨论了晶体管的开关特性以及非正弦信号频谱。 脉冲信号是指短暂的时间间隔内作用于电路的电压或电流。广义而言，凡按非正弦规律变化的电压和电流都可称为脉冲波。,8.1 脉冲波形及其参数,脉冲波形多种多样，准确地描述一个脉冲波形比描述正弦波需要更多的参数。 1常见的脉冲波形 一个不断开合的电键，会在负载上产生一串矩型脉冲电压波形（见图8-1）。脉形波形很多，常见的还有方波、梯形波、锯齿波、三角波等，如图8-
2、2所示。,图8-1 简单的脉冲电路 （a）电路；（b）脉冲波形,（a） （b）,(a) (b) (c) (d),图8-2 几种常见脉冲波形 （a）方波；（b）梯形波；（c）锯齿波；（d）三角波,2波形的主要参数 理想的脉冲波形只有三个参数，如图8-3（a）所示，即脉冲幅度E，脉冲周期T和脉冲宽度TW。,（a） （b）,图8-3 脉冲波形的参数 （a）理想脉冲波形；（b）实际脉冲波形及其参数,实际的脉冲波形要复杂一些，描述它的参数有以下几种，参见图8-3。 （1）脉冲幅值E脉冲从起始值到峰值之间的变化量称为脉冲幅值。 （2）脉冲上升时间tr指脉冲由起始值上升到峰值所需时间，但较严格的定义是由0.
3、1E上升到0.9E所需要的时间，tr愈短，脉冲上升得越快。 （3）脉冲下降时间tf指脉冲在脉冲后沿由0.9E下降至0.1E所需时间，tf愈短，脉冲下降得越快。 （4）脉冲周期T对于周期性重复脉冲，指前后相邻脉 冲的间隔时间，其倒数为脉冲重复的频率。 （5）脉冲宽度TW指脉冲前沿与脉冲后沿的0.5E处两 点间的时间间隔，又称脉冲持续期。 （6）占空比指脉冲宽度TW与脉冲周期T的比值，有=TW/ T （7）前冲指脉冲前沿越过E的部分。 （8）后冲指脉冲后沿低过起始值的部分。 一般希望和越小越好。,8.2 RC电路的过渡过程,利用RC电路的充放电过程，可以对脉冲波形进变换。,8.2.1 电容的充放电
4、现象,如图8-4所示电容充放电电路，设开关S在位置“2”时，电容C未储存电荷，两端电压uc= 0，当开关S从“2”位置转换到位置“1”时，电路接通，电源G对电容C充电。其动态过程是：当电路接通电源瞬间，t = 0+由于电容C上无电荷，其两端电压uC为零，相当于短路，此时，充电电流ic(t)最大，为ic(t)= (E uC)/R，E为电源G的电动势，电阻两端电压uR=E。随着时间的推移，电容器上电荷逐渐积累，其两端电压uC也逐渐升高，充电电流ic(t)=却随之下降，同时uR也随之下降。待到电容电荷充满，电容两端电压达到最大值，即uC=E，充电电流降为零，uR也为零，电容充电完毕，电路进入稳态。以
5、上过程的充电曲线见图8-4（b）。充电过程可以用数学作以下的描述,图8-4 电容充放电电路和充放电曲线 （a）电容充放电电路； （b）充电曲线； （c）放电曲线,E = Ri(t) + uc(t) 而i(t) =，故有微分方程 （8-1） 分离变量得 解得 （t0）,电容器充电完毕后，如果把开关S转换到位置“2”，则电容会通过电阻R放电，电容放电电流和充电电流方向相反。仿照上述分析方法分析放电过程可得 （t0） （8-2） uc（t）随t变化的曲线，称为放电曲线，见图8-4（c）。 充电过程和放电过程都是动态过程，也称为过渡过程。 RC称为充放电时间常数，用表示,越大，充电或放电时间越长。一般
6、为34。,8.2.2 RC电路的应用,RC电路是脉冲波形变换的基本电路，保持脉冲波形在传输过程中减少失真也常用到RC电路。下面对此作一简介。 1RC微分电路 如图8-5（a）所示的RC电路，输入端加一理想方波，输出电压uo由电阻两端取出。如果时间常数 脉冲宽度Tw，则此电路称为微分电路，在它的输出端将得到正负相间的尖脉冲，如图8-5（b）所示。,在t =t1时，输入电压uI由0突变为um，在这一瞬间，电容上无电荷，相当于短路，uc=0，输入电压uI全部降在电阻R上，则输出电压uo产生一个正跳变，即为um值。随后（t t1）电容上电压按指数规律快速上升，输出电压uo随之按指数规律相应地下降。当时
7、间经过34时，电容充电已满，电容电压接近稳态值um，输出电压uo相应地下降为零。RC的值愈小，上述过程进行得越快，输出的正尖脉冲也愈窄。 当t =t2时，输入电压uI由um向下跳变到0，这样，整个电路在输入端突然被短路，电容两端电压全部加到电阻R上，此时电容的正端恰好接地，则uo=-um。接着电容沿RC回路放电，其端电压uc按指数规律减小，输出电压uo则按指数规律上升，同样，经过时间34，放电完毕，输出端得到一个负的尖脉冲。,要将输入端矩形波变为尖脉冲，要求= 0.1Tw0.2Tw。 比较输出与输入电压间的关系，显然有 uo(t)因为当uI从0跳到Vm，则，即形成正向冲激尖脉冲，当uI又从um
8、降到0时， 则-，形成负向冲激尖脉冲。这就是“微分电路”称呼的来由。,2RC积分电路 如果将RC电路的输出取自电容两端，如图8-6（a）所示，而且 Tw，则称此电路为积分电路，它能将输入矩形脉冲变为锯齿波。 在t=t1时，输入电压uI由0突变到um，类似前面的分析。电容两端电压不能突变，uc（0）=0。当Tw+t1t t1时，电容充电，由于 Tw,Uc虽按指数规律上升，但速度缓慢，近似于一斜升直线。在t=t2时，电容器上电荷尚未充满，ucum，但ui已从um跳回到0，此时电容开始放电，输出电压uo将按指数规律缓慢下降。 因此从电容两端电压变化过程来看，uo为锯齿波如图8-6（b）所示。uo的一
9、个充放电波形下的面积近似为一个直角三角形（将放电部分沿纵轴翻转180粘贴到充电部分上端），与输入uI（见图8-6（b）对时间的积分结果相近。即 说明输出uo与输入uI之间有积分关系，这就是“积分电路”称呼的由来。,3RC脉冲分压器 在脉冲信号传输过程中，为了控制脉冲信号的强弱，通常在电路中接入一个脉冲衰减器，即脉冲分压器。脉冲分压器不能采用简单的电阻分压关系，否则电路会产生波形失真，这是因为其输出端存在着由导线分布和其它原因产生的寄生电容C0，并联于输出端（如图8-7所示），类似于图8-6所示的积分电路，使输入的阶跃信号变成了锯齿信号，波形失真。 为此，人们设计了如图8-8所示的脉冲分压器电路
10、，它是电阻R1上并联一个补偿电容C1，用C1来补偿寄生电容C0的不良影响。其工作原理如下：,图8-7 寄生电容对输出波形的影响 图8-8 脉冲分压器,当在图8-8输入端突加一个正跳变脉冲电压uI，在uI由零跳变到um瞬间，由于C1和C0此时相当于短路，必有一充电电流经C1和C0充电，和中通过电流几乎为零，依电容分压规律，此时输出电压u0为 当输入正跳变脉冲进入平顶阶段后，电容器充电结束（设tTw）， C1和C0无电流流过，可视为开路。此时电路相当于一个电阻分压器，故有 如果让上述两个时刻的输出电压相等，输出电压u0就会跟踪输入脉冲电压uI变化，不会产生波形失真。当然，条件是 化简得 故选择补偿
11、电容C1的最佳值是,4RC耦合电路 RC耦合电路就是RC微分电路图8-5（a），把它接 在前级电路与后级电路中间，就成为RC耦合电路， 不过为了不失真地传送信号，应选取时间常数 Tw。其工作过程如下： 在输入电压VI由0跳到Vm瞬间，电容C相当于短 路，Vm全部降落到输出端的电阻R上，如图8-9所示， 随后，由于时间常数tTw，电容缓慢地接指数规 律充电，其两端电压缓升，于是输出电压由Vm缓 降，形成一个缓降斜坡，当 =Tw时，仅从Vm下降 了 此时，VI产生了由Vm向0的负跃变， 也从（Vm-）负跳到（-），等于电容上的充电 电压。此后，电容缓慢放电，输出电压V0又从（- ），缓升到接近于零
12、。电容尚未放电完毕，第二 个脉冲又到来了，电容又被充电，如此周而复始， 电路输出端就输出了一串和输入的一串矩形脉冲对 应的直流电平略有倾斜的脉冲，见图8-9所示。为说 明问题，图中倾斜度画得大些。,图8-9 矩形脉冲串作用于电路时稳态渐移过程,8.3 晶体管的开关特性,在脉冲与数字电路中，开关频率很高，机械式开关是无法胜任的，经常使用二极管和三极管作为“开关”。在本节中，我们讨论晶体二极管和三极管的开关特性。,我们已在第三章中研究过二极管的伏安特性，它可以简化为折线特性如图8-10（a）所示。由此可得二极管的开关等效电路，如图8-10（b）、图8-10（c）所示。折线特性中的VT称为二极管开启
13、电压，只有当外加电压大于此电压时。二极管才正向导通。通常硅管的VT为0.50.7V，而锗管的为0.10.3V，二极管正向导通，R0=V/I很小，如图8-10（b）所示。二相管导通后，二极管上总压降VD略大于VT，硅管为0.7V，锗管为0.3V。当外加电压小于VT或加反向电压时，二极管截止，反向电流甚微，相当于“开路”。如图8-10（c）所示。这就是二极管的开关特性。,8.3.1 晶体二极管的开关特性,利用二极管的开关特性构成常见的波形变换电路有限幅电路和钳位电路等。 1二极管限幅器 限幅电路又称为削波电路，使输出电压波形的幅度限制在规定电平上。 图8-11为限幅电平为E的二极管串联下限幅电路及
14、输入输出波形。 图8-11（b）表示当输入信号为上下尖脉冲，输出限幅的情况。去掉了负向尖脉冲，这样的电路具有极性选择特性。 图8-11（c）表示当输入信号为正弦信号限幅的情况。实现了波形选择，从杂乱信号中检拾出了有用信号。 图8-12为限幅电平为E的二极管并联上限幅电路及其输入输出波形。 图8-12（b）表示当输入信号为上下尖脉冲，输出限幅的情况，输出仅对正向尖脉冲加以限幅。图8-12（c）表示对输入信号进行波形变换，将不太规则的正弦波变成了梯形脉冲，并去掉了输入信号顶部的纹波。,8.3.2 二极管开关特性的应用,图8-10 二极管的折线特性及开关等效电路 （a）二极管的折线特性；（b）二极管
15、正向导通；（c）二极管反向截止,图8-11 限幅电平为E的二极管串联下限幅器 （a）电路；（b）波形1；（c）波形2,（a） （b） （c）,（a） （b） （c）,图8-12 限幅电平为E的二极管并联上限幅器 （ a）电路；（b）波形1；（c）波形2,（a） （b） （c）,2二极管钳位器 所谓钳位电路，就是能把输入信号波形的某一部分固定在选定的电平上而不改变信号波形形状的电路。图8-13是一个基本的钳位电路及其工作波形。钳位电路的元件参数须满 t 足以下条件（记放为放电时间常数，充为充电时间常数）： （1）RrD（二极管正向电阻）； （2）输入脉冲宽度TW3充； （3）输入脉冲休止期 T-TW 放。 t图8-13 顶部钳位于零的钳位器电路及波形图 （a）电路；（b）波形图 电路的特点是充电快、放电慢。如果输入电压ui为矩形脉冲输入电压，工作过程如下： 当t 0瞬间，ui从0跃变到E，电容尚未充电，其电压uC0，uo也从0跃变到E，二极管VD开始正向导通。在0 t1期间，电容通过rD迅速充电（因TW3充3 rD
