日常记录(3)硬件相关

jk触发器是一种重要的数字电路元件,广泛应用于计数器、寄存器等电路中。以下是对jk触发器及其相关内容的详细介绍。

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PN结

二极管的核心是PN结,因此其单向导电性取决于PN结的特性。在P型和N型半导体的交界处,N区的自由电子浓度较高,这些带负电的自由电子会从N区向电子浓度较低的P区扩散。扩散的结果是,PN结中靠P区一侧带负电,靠N区一侧带正电,形成由N区指向P区的电场,即PN结内电场。内电场会阻止多数载流子的继续扩散,也称为阻档层。

(1) PN结加上正向电压的情况:将PN结的P区连接到电源的正极,N区连接到电源的负极。此时,外加电压对PN结产生的电场与PN结内电场方向相反,削弱了PN结内电场,使多数载流子能够顺利通过PN结形成正向电流。随着外加电压的增加,正向电流迅速增大,即PN结在加正向电压时处于导通状态。

(2) PN结加上反向电压的情况:将PN结的P区连接到电源的负极,N区连接到电源的正极。此时,外加电压对PN结产生的电场与PN结内电场方向相同,加强了PN结内电场。多数载流子在电场力的作用下难以通过PN结,反向电流非常微小,即PN结在加反向电压时处于截止状态。

NPN和PNP三极管

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,将整块半导体分成三部分:中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区。标记为e(发射极)、b(基极)、c(集电极)。

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一、电流放大

以下分析仅适用于NPN型硅三极管。如上图所示,从基极B流至发射极E的电流称为基极电流Ib;从集电极C流至发射极E的电流称为集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的,所以发射极E上用一个箭头表示电流的方向。

三极管的放大作用是:

集电极电流受基极电流的控制(假设电源能够提供给集电极足够大的电流),并且基极电流的微小变化会引起集电极电流的较大变化,且变化满足一定的比例关系:

集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍,即电流变化被放大了β倍,因此β被称为三极管的放大倍数(β通常远大于1,例如几十或几百)。

如果将一个变化的小信号加到基极和发射极之间,这将引起基极电流Ib的变化,Ib的变化被放大后,导致Ic的较大变化。

如果集电极电流Ic流过一个电阻R,根据电压计算公式U=R*I,可以计算出电阻上的电压将发生较大变化。我们从这个电阻上取出电压,就得到了放大后的电压信号。

二、偏置电路

三极管在实际的放大电路中使用时,需要添加合适的偏置电路,原因有以下几点。

首先,由于三极管BE结的非线性(相当于一个二极管),基极电流必须在输入电压达到一定程度后才能产生(对于硅管,常取0.7V)。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时,基极电流可以认为是0。

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但实际中要放大的信号往往远小于0.7V,如果不加偏置,这么小的信号就不足以引起基极电流的变化(因为小于0.7V时,基极电流都是0)。如果我们事先在三极管的基极上加一个合适的电流(称为偏置电流,电阻Rb提供这个电流,因此它被称为基极偏置电阻),那么当一个小信号与这个偏置电流叠加时,小信号就会导致基极电流的变化,而基极电流的变化将被放大并在集电极上输出。

另一个原因是输出信号范围的要求。如果没有加偏置,那么只有对增加的信号进行放大,而对减小的信号无效(因为没有偏置时集电极电流为0,不能再减小)。加上偏置后,事先让集电极有一定的电流,当输入的基极电流减小时,集电极电流可以减小;当输入的基极电流增大时,集电极电流增大。这样,减小的信号和增大的信号都可以被放大。

三、开关作用

接下来讨论三极管的饱和情况。由于受到电阻Rc的限制(Rc是固定值,那么最大电流为U/Rc,其中U为电源电压),集电极电流不能无限增加。

当基极电流的增大不能使集电极电流继续增大时,三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的标准是:Ib*β>Ic。

进入饱和状态后,三极管的集电极与发射极之间的电压将非常小,可以理解为一个开关闭合了。这样,我们就可以使用三极管作为开关:

当基极电流为0时,三极管集电极电流为0(这称为三极管截止),相当于开关断开;当基极电流很大,以至于三极管饱和时,相当于开关闭合。

如果三极管主要工作在截止和饱和状态,我们通常将其称为开关管。

四、工作状态

如果在上图中,将电阻Rc换成一个灯泡,当基极电流为0时,集电极电流为0,灯泡熄灭。

如果基极电流较大时(超过流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β),三极管就饱和,相当于开关闭合,灯泡亮起。

由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点,因此可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。

如果基极电流从0慢慢增加,灯泡的亮度也会随之增加(在三极管未饱和之前)。

场效应管

场效应管是在三极管的基础上开发出来的。三极管通过电流的大小控制输出,输入需要消耗功率。场效应管通过输入电压控制输出,不消耗功率。

场效应管和三极管的区别在于电压和电流控制,但这都是相对的。电压控制的也需要电流,电流控制的也需要电压,只是相对较小。

就其性能而言,场效应管明显优于普通三极管,无论是频率还是散热要求,只要电路设计合理,采用场效应管会明显提升整体性能。

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