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1、第七章：脉冲波形的产生与第七章：脉冲波形的产生与第七章：脉冲波形的产生与第七章：脉冲波形的产生与处理电路处理电路处理电路处理电路 北京邮电大学电信院电路与系统中心北京邮电大学电信院电路与系统中心GG内容提要内容提要内容提要内容提要内内内内容容容容提提提提要要要要脉冲波形的定义脉冲波形的定义脉冲波形发生电路即多谐振荡电路，脉冲波形发生电路即多谐振荡电路，一般用来做信号源一般用来做信号源波形处理电路有限幅、钳位、整形、波形处理电路有限幅、钳位、整形、延迟电路等延迟电路等脉冲波形参数脉冲波形参数半导体器件的开关特性及脉冲半导体器件的开关特性及脉冲波形处理电路波形处理电路各种脉冲波形的产生电路各种脉冲
2、波形的产生电路主要内容如下：主要内容如下：简单介绍门电路的概念及参数简单介绍门电路的概念及参数要点要点要点要点要要要要点点点点在脉冲波形产生与处理电路中，在脉冲波形产生与处理电路中，各种半导体器件大都工作在大各种半导体器件大都工作在大信号状态，属于非线性应用信号状态，属于非线性应用电路的分析方法和内容与放大电路的分析方法和内容与放大电路明显不同，讨论的重点是电路明显不同，讨论的重点是电路的瞬态特性、波形响应等电路的瞬态特性、波形响应等常见的脉冲波形常见的脉冲波形常见的脉冲波形常见的脉冲波形第第第第一一一一节节节节：波波波波形形形形的的的的基基基基础础础础知知知知识识识识都是时间函数都是时间函数
3、实际矩形脉冲波形及其参数实际矩形脉冲波形及其参数实际矩形脉冲波形及其参数实际矩形脉冲波形及其参数脉冲幅度脉冲幅度平均脉宽平均脉宽重复周期重复周期 及重复频率及重复频率上升时间上升时间下降时间下降时间占空比占空比顶部倾斜顶部倾斜第第第第一一一一节节节节：波波波波形形形形的的的的基基基基础础础础知知知知识识识识理想矩形脉冲频谱分析的意义理想矩形脉冲频谱分析的意义理想矩形脉冲频谱分析的意义理想矩形脉冲频谱分析的意义前后沿前后沿(跳变处跳变处)变变化快，集中了信号化快，集中了信号的高频分量；而平的高频分量；而平顶部分变化缓慢，顶部分变化缓慢，集中了信号的低频集中了信号的低频成分成分可通过将这样的脉冲信
4、号加至放大电可通过将这样的脉冲信号加至放大电路的输入端，并观察输出电压波形的路的输入端，并观察输出电压波形的上升沿、下降沿以及波形的顶部来分上升沿、下降沿以及波形的顶部来分析放大电路的上、下截止频率析放大电路的上、下截止频率可见放大电路的频率响应与时域响应可见放大电路的频率响应与时域响应有密切的对应关系有密切的对应关系第第第第一一一一节节节节：波波波波形形形形的的的的基基基基础础础础知知知知识识识识二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性(一一一一)第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性 时，时，由由
5、跳至跳至 ：存储时间：存储时间 ：下降时间：下降时间：反向恢：反向恢复时间复时间二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性(二二二二)时的电荷存储时的电荷存储效应效应 后后PNPN结中存储结中存储电荷的变化电荷的变化经过经过 时间后时间后PNPN结结中存储电荷的变化中存储电荷的变化第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性(三三三三)二极管反向恢复过二极管反向恢复过程实质上是由电荷程实质上是由电荷存储效应引起的，存储效应引起的，反向恢复时间就是反
6、向恢复时间就是存储电荷消失所需存储电荷消失所需的时间的时间影响影响 的因素：的因素：管子本身的性能管子本身的性能正向电流正向电流 与反与反向电流向电流 的大小的大小第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性(四四四四)二极管由截止转为二极管由截止转为正向导通所需时间正向导通所需时间称为开通时间称为开通时间导通过程简述导通过程简述二极管的开通时间二极管的开通时间比比 短得多，可以短得多，可以忽略不计忽略不计第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件
7、件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性(一一一一)晶体管截止晶体管截止时的说明时的说明晶体管进入晶体管进入饱和区后的饱和区后的说明说明延迟时间延迟时间上升时间上升时间开通时间开通时间存储时间存储时间下降时间下降时间关断时间关断时间饱和饱和深度深度第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性(二二二二)延迟时间延迟时间晶体管处于截止状态时，发射结反偏，晶体管处于截止状态时，发射结反偏，势垒区较厚，扩散电流
8、为势垒区较厚，扩散电流为0 0。当输入矩形。当输入矩形脉冲信号跳变至其最大值时，势垒逐渐脉冲信号跳变至其最大值时，势垒逐渐降低，扩散电流开始形成，这个过程所降低，扩散电流开始形成，这个过程所需的时间为延迟时间需的时间为延迟时间上升时间上升时间在矩形脉冲电压的作用下，扩散电流逐在矩形脉冲电压的作用下，扩散电流逐渐增大直至管子饱和。从而可以定义出渐增大直至管子饱和。从而可以定义出上升时间上升时间第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性(三三三三)存储时间存储时间晶体管工
9、作于饱和状态时，集电极电流晶体管工作于饱和状态时，集电极电流达到饱和值。由于集电结加有正向电荷达到饱和值。由于集电结加有正向电荷使集电区也有电子注入至基区，使基区使集电区也有电子注入至基区，使基区少子增多，形成比工作于放大区多的电少子增多，形成比工作于放大区多的电荷，称为多余的电荷荷，称为多余的电荷当输入信号跳变至最小值时，存储电荷当输入信号跳变至最小值时，存储电荷消失需要一定的时间加长。一开始集电消失需要一定的时间加长。一开始集电极电流仍维持不变，晶体管还处于饱和极电流仍维持不变，晶体管还处于饱和状态，经过存储时间后，多余的电荷全状态，经过存储时间后，多余的电荷全部消失，晶体管开始脱离饱和，
10、进入放部消失，晶体管开始脱离饱和，进入放大状态。饱和越深，存储时间越长大状态。饱和越深，存储时间越长第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性(四四四四)下降时间下降时间当基区多余的电荷全部消失后，基区电当基区多余的电荷全部消失后，基区电荷继续消散，这时集电极电流开始减小，荷继续消散，这时集电极电流开始减小，输出电压开始上升，直至集电极电流为输出电压开始上升，直至集电极电流为0 0，晶体管截止。从而可以定义出下降时，晶体管截止。从而可以定义出下降时间间一般关断时间一般
11、关断时间 大于开通时大于开通时间间第第第第二二二二节节节节：半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件的的的的开开开开关关关关特特特特性性性性基本的逻辑运算基本的逻辑运算基本的逻辑运算基本的逻辑运算(门门门门)第第第第三三三三节节节节：门门门门电电电电路路路路(简简简简介介介介)在脉冲和数字电路中，其输入输出量在脉冲和数字电路中，其输入输出量一般用高、低电平来表示，高、低电一般用高、低电平来表示，高、低电平代表两个不同的状态，可用二元常平代表两个不同的状态，可用二元常量表示量表示在数字电路中一般将高、低电平分别在数字电路中一般将高、低电平分别称为称为逻辑逻辑1 1和和逻辑逻辑0 0，而在模拟电路
12、中，而在模拟电路中习惯上用习惯上用H H、L L表示表示基本的逻辑运算有基本的逻辑运算有与与、或或、非非三种，三种，实现这三种运算的电路分别称为实现这三种运算的电路分别称为与门与门、或门或门和和非门非门与运算和与门与运算和与门与运算和与门与运算和与门只有所有输入都为只有所有输入都为高电平，输出才为高电平，输出才为高电平；只要有一高电平；只要有一个输入为低电平，个输入为低电平，输出便为低电平输出便为低电平输输 入入输出输出与逻辑：与逻辑：注意扩展方式注意扩展方式第第第第三三三三节节节节：门门门门电电电电路路路路(简简简简介介介介)或运算和或门或运算和或门或运算和或门或运算和或门只有所有输入都为只
13、有所有输入都为低电平，输出才为低电平，输出才为低电平；只要有一低电平；只要有一个输入为高电平，个输入为高电平，输出便为高电平输出便为高电平或逻辑：或逻辑：注意扩展方式注意扩展方式输输 入入输出输出第第第第三三三三节节节节：门门门门电电电电路路路路(简简简简介介介介)非运算和非门非运算和非门非运算和非门非运算和非门输入为高电平时，输入为高电平时，输出为低电平；输输出为低电平；输入为低电平时，输入为低电平时，输出为高电平出为高电平非逻辑：非逻辑：输输 入入输出输出第第第第三三三三节节节节：门门门门电电电电路路路路(简简简简介介介介)非门与其它门的级联非门与其它门的级联非门与其它门的级联非门与其它门
14、的级联与非门：与非门：或非门：或非门：第第第第三三三三节节节节：门门门门电电电电路路路路(简简简简介介介介)TTLTTLTTLTTL与非门的外特性与非门的外特性与非门的外特性与非门的外特性(一一一一)电路处于截止状态时的输出电平，电路处于截止状态时的输出电平，具有典型值及最小值具有典型值及最小值输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平电路处于导通状态时的输出电平，电路处于导通状态时的输出电平，具有典型值及最大值具有典型值及最大值晶体管晶体管-晶体管逻辑门，是指输入端晶体管逻辑门，是指输入端和输出端都用晶体管的门电路，简称和输出端都用晶体管的门电路，简称TTLTTL电路电路第第第第三三三三节节节
15、节：门门门门电电电电路路路路(简简简简介介介介)TTLTTLTTLTTL与非门的外特性与非门的外特性与非门的外特性与非门的外特性(二二二二)当电路输出端接额定负载时，使电当电路输出端接额定负载时，使电路输出端处于高电平状态所允许的路输出端处于高电平状态所允许的最大输入电压最大输入电压关门电平关门电平开门电平与关门电平反映了电路的抗开门电平与关门电平反映了电路的抗干扰能力干扰能力当电路输出端接额定负载时，使电当电路输出端接额定负载时，使电路输出端处于低电平状态所允许的路输出端处于低电平状态所允许的最小输入电压最小输入电压开门电平开门电平第第第第三三三三节节节节：门门门门电电电电路路路路(简简简简
16、介介介介)单稳态触发器综述单稳态触发器综述单稳态触发器综述单稳态触发器综述第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器单稳态触发器只有一个稳定状态，单稳态触发器只有一个稳定状态，在外加触发脉冲的作用下，它从稳在外加触发脉冲的作用下，它从稳态翻转到暂时决定的状态态翻转到暂时决定的状态(即暂稳即暂稳态态)，经过一段时间，经过一段时间(由电路定时元由电路定时元件参数决定件参数决定)，又能自动返回稳态，又能自动返回稳态，从而输出幅度及宽度都固定的矩形从而输出幅度及宽度都固定的矩形脉冲脉冲用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器
17、原理用与非门组成的单稳态触发器原理(一一一一)为输入为输入微分环节微分环节 为定时为定时元件元件要求要求 ，从而保证稳态下，从而保证稳态下G G1 1输出为低电平，输出为低电平，G G2 2输出为高电平输出为高电平第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理(二二二二)时刻时刻形成如下正反馈过程：形成如下正反馈过程：上跳幅度与上跳幅度与 上跳幅度相上跳幅度相等的原因等的原因正反馈使电路很快翻转进入正反馈使电路很快翻转进入暂稳态暂稳态，第第第第四四
18、四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理(三三三三)时刻时刻再次形成正反馈过程：再次形成正反馈过程：正反馈使电路很快返回稳态，正反馈使电路很快返回稳态，暂稳态结束暂稳态结束暂稳态暂稳态期间期间第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理(四四四四)时刻时刻电容电容C C放电的两条通路放电的两条通路暂稳态暂稳
19、态期间期间恢复过恢复过程程放电时间常数放电时间常数 ，恢复，恢复时间时间缩短恢复时间，提高电路工缩短恢复时间，提高电路工作频率的方法作频率的方法第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理用与非门组成的单稳态触发器原理(五五五五)暂稳态持暂稳态持续时间即续时间即为电容为电容C C的充电时的充电时间间第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器鉴于单稳态触发器应用十分普遍，因鉴于单稳态
20、触发器应用十分普遍，因而在而在TTLTTL及及CMOSCMOS集成电路产品中都生产集成电路产品中都生产了单片集成单稳态触发器。使用时只了单片集成单稳态触发器。使用时只需很少的外接元件，而且电路还附有需很少的外接元件，而且电路还附有上升沿或下降沿触发的选择控制、清上升沿或下降沿触发的选择控制、清零等功能，使用极为方便。此外，由零等功能，使用极为方便。此外，由于各元件集成于同一芯片上，电路中于各元件集成于同一芯片上，电路中采取了补偿措施，因而其温度稳定性采取了补偿措施，因而其温度稳定性较好较好集成单稳态触发器的分类：集成单稳态触发器的分类：可重复触发的单稳态触发器可重复触发的单稳态触发器不可重复触
21、发的单稳态触发器不可重复触发的单稳态触发器第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器单稳态触发器的主要应用单稳态触发器的主要应用单稳态触发器的主要应用单稳态触发器的主要应用定时定时延时延时整形整形第第第第四四四四节节节节：单单单单稳稳稳稳态态态态触触触触发发发发器器器器多谐振荡器综述多谐振荡器综述多谐振荡器综述多谐振荡器综述第第第第六六六六节节节节：多多多多谐谐谐谐振振振振荡荡荡荡器器器器多谐振荡器是能产生矩形脉冲波多谐振荡器是能产生矩形脉冲波(或方波或方波)的自激振荡电路。它没有的自激振荡电路。它没有稳态，只有两个暂稳态，不需外加稳态，只有两个暂稳态，不需外加
22、触发信号便能在两个暂稳态之间交触发信号便能在两个暂稳态之间交替转换，输出连续的矩形脉冲。常替转换，输出连续的矩形脉冲。常作为脉冲信号源作为脉冲信号源不同电路形式多谐振荡器的共同之不同电路形式多谐振荡器的共同之处：处：开关器件开关器件反馈网络反馈网络延迟环节延迟环节由门电路组成的多谐振荡器原理由门电路组成的多谐振荡器原理由门电路组成的多谐振荡器原理由门电路组成的多谐振荡器原理(一一一一)第第第第六六六六节节节节：多多多多谐谐谐谐振振振振荡荡荡荡器器器器 时刻的初始值时刻的初始值 后，至时刻后，至时刻 时的变化时的变化 时刻的情况时刻的情况 后的情况后的情况由门电路组成的多谐振荡器原理由门电路组成
23、的多谐振荡器原理由门电路组成的多谐振荡器原理由门电路组成的多谐振荡器原理(二二二二)第第第第六六六六节节节节：多多多多谐谐谐谐振振振振荡荡荡荡器器器器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器第第第第六六六六节节节节：多多多多谐谐谐谐振振振振荡荡荡荡器器器器前面介绍的多谐振前面介绍的多谐振荡器频率稳定性较荡器频率稳定性较差，当电源电压波差，当电源电压波动、温度变化、动、温度变化、RCRC参数变化时，频率参数变化时，频率变化较大。在要求变化较大。在要求较高的场合是不合较高的场合是不合适的适的可用石英晶体代替可用石英晶体代替图图7.6.1(a)7.6.1(a)中的定中的定时电容，构成晶体时电容，构成
24、晶体振荡器振荡器此处石英晶体起串此处石英晶体起串联谐振回路的作用，联谐振回路的作用，电路的振荡频率取电路的振荡频率取决于晶体的串联谐决于晶体的串联谐振频率，因而振荡振频率，因而振荡频率非常稳定频率非常稳定由施密特触发器组成的多谐振荡器由施密特触发器组成的多谐振荡器由施密特触发器组成的多谐振荡器由施密特触发器组成的多谐振荡器(一一一一)RCRC网络起反馈网络起反馈和延迟的作用和延迟的作用电容电容 上的电上的电压压 即为其输即为其输入电压入电压工作波工作波形及原形及原理分析理分析第第第第六六六六节节节节：多多多多谐谐谐谐振振振振荡荡荡荡器器器器由施密特触发器组成的多谐振荡器由施密特触发器组成的多谐
25、振荡器由施密特触发器组成的多谐振荡器由施密特触发器组成的多谐振荡器(二二二二)放电时放电时放电时间放电时间常数为常数为RCRC第第第第六六六六节节节节：多多多多谐谐谐谐振振振振荡荡荡荡器器器器集成运放组成的三角波发生器集成运放组成的三角波发生器集成运放组成的三角波发生器集成运放组成的三角波发生器第第第第七七七七节节节节：三三三三角角角角波波波波发发发发生生生生器器器器与与与与锯锯锯锯齿齿齿齿波波波波发发发发生生生生器器器器电路结构说明电路结构说明自激振荡的产生过程自激振荡的产生过程锯齿波简介锯齿波简介锯齿波简介锯齿波简介锯齿波指的是随时间线性变化的电压锯齿波指的是随时间线性变化的电压或电流波形
26、。应用举例或电流波形。应用举例 为扫描期为扫描期 为回扫期为回扫期 为休止期为休止期 为非线性系为非线性系数数三角波发生器的充三角波发生器的充放电时间常数相同放电时间常数相同若设法让积分电容充放电回路不同，若设法让积分电容充放电回路不同，充放电时间常数不等，则可得锯齿波充放电时间常数不等，则可得锯齿波第第第第七七七七节节节节：三三三三角角角角波波波波发发发发生生生生器器器器与与与与锯锯锯锯齿齿齿齿波波波波发发发发生生生生器器器器集成运放组成的锯齿波发生器集成运放组成的锯齿波发生器集成运放组成的锯齿波发生器集成运放组成的锯齿波发生器第第第第七七七七节节节节：三三三三角角角角波波波波发发发发生生生
27、生器器器器与与与与锯锯锯锯齿齿齿齿波波波波发发发发生生生生器器器器555555555555定时器的组成框图定时器的组成框图定时器的组成框图定时器的组成框图第第第第八八八八节节节节：5 5 5 55 5 5 55 5 5 5定定定定时时时时器器器器及及及及其其其其主主主主要要要要应应应应用用用用电压比较器电压比较器C C1 1和和C C2 2基本基本RSRS触发器触发器推挽式结构的倒相放大输出级推挽式结构的倒相放大输出级集电极开路输出的泄放晶体管集电极开路输出的泄放晶体管555555555555定时器的功能表定时器的功能表定时器的功能表定时器的功能表第第第第八八八八节节节节：5 5 5 55 5
28、 5 55 5 5 5定定定定时时时时器器器器及及及及其其其其主主主主要要要要应应应应用用用用由由由由555555555555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器(一一一一)第第第第八八八八节节节节：5 5 5 55 5 5 55 5 5 5定定定定时时时时器器器器及及及及其其其其主主主主要要要要应应应应用用用用 为输入微为输入微分环节分环节 为定时元为定时元件件稳态时的状态：稳态时的状态：3 3脚输出脚输出低电平，低电平，T T2828导通导通触发脉冲下降沿后分析触发脉冲下降沿后分析由由由由555555555555定时器组成的单稳态
29、触发器定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器(二二二二)第第第第八八八八节节节节：5 5 5 55 5 5 55 5 5 5定定定定时时时时器器器器及及及及其其其其主主主主要要要要应应应应用用用用由由由由555555555555定时器组成的施密特触发器定时器组成的施密特触发器定时器组成的施密特触发器定时器组成的施密特触发器第第第第八八八八节节节节：5 5 5 55 5 5 55 5 5 5定定定定时时时时器器器器及及及及其其其其主主主主要要要要应应应应用用用用由由由由555555555555定时器组成的多谐振荡器定时器组成的多谐振荡器定时器组成的多谐振荡器定时器组成的多谐振荡器第第第第八八八八节节节节：5 5 5 55 5 5 55 5 5 5定定定定时时时时器器器器及及及及其其其其主主主主要要要要应应应应用用用用工作过工作过程描述程描述