实验一晶体管输出特性.docx

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实验一晶体管输出特性

晶体管输出特性曲线测试电路的设计

无29刘晨2002011563

一、实验任务

设计一个测量NPN型晶体管特性曲线的电路。

测量电路设置标有e、b、c引脚的插孔。

当被测晶体管插入插孔通电后，示波器屏幕上便显示出被测晶体管的输出特性曲线。

二、实验目的

1．了解测量双极型晶体管输出特性曲线的原理和方法。

2．熟悉脉冲波形的产生和波形变换的原理和方法。

3．熟悉各单元电路的设计方法。

三、实验原理

晶体管共发射极输出特性曲线如图1所示，它是由函数ic=f（vCE）|iB=常数表示的一簇曲线。

它既反映了基极电流iB对集电极电流iC的控制作用，同时也反映出集电极和发射极之间的电压vCE对集电极电流iC的影响。

如使示波器显示图1那样的曲线，则应降集电极电流iC取样，加至示波器的Y轴输入端，将电压vCE加至示波器的X轴输入端。

若要显示iB为不同值时的一簇曲线，积极电流应为逐级增加的阶梯波形。

通常晶体管的集电极电压是从零开始增加，达到某一数值后又回到零值的扫描波形，本次试验采用锯齿波。

测量晶体管输出特性曲线的一种参考电路框图如图2所示。

矩形波震荡电路产生矩形脉冲输出电压vO1。

该电路一方面经锯齿波形成电路变换成锯齿波vO2，作为晶体管集电极的扫描电压；另一方面经阶梯波形成电路，通过隔离电阻送至晶体管的基极，作为积极驱动电流iB，波形见图3（下页）的第三个图。

电阻RC将集电极电流取样，经电压变换电路转换成与电流iC成正比的对地电压VO3,加至示波器的Y轴输入端，则示波器的屏幕上便会显示出晶体管输出特性曲线。

需要注意，锯齿波的周期与基极阶梯波每一级的时间要完全同步（用同一矩形脉冲产生的锯齿波和阶梯波可以很好的满足这个条件）。

阶梯波有多少级就会显示出多少条输出特性曲线。

另外，每一整幅图形的显示频率不能太低，否则波形会闪烁。

四、主要设计指标及要求

1、矩形波f频率不作要求，占空比为4%～6%（在输出幅度50%处测量），（输出电压幅度为Vp-p=20V）。

2、电平阶梯波级数10级，ΔV=1V误差±10%。

或ΔV=0.5V误差±10%。

不作统一要求

五、电路设计及仿真结果：

1、电路基本组成：

电路由5个基本部分组成，包括矩形波产生电路、锯齿波产生电路、阶梯波产生电路、电压变换电路和由以上4个电路组成的晶体管测试电路。

2、矩形波产生电路：

用来产生窄的矩形脉冲，要求占空比为4％～6％，所用电路为一个由LM741组成的施密特触发器，用来产生矩形窄脉冲，由于二极管D3的单向导通功能，使得充放电时的回路电阻不同，结果时间常数不同，从而矩形脉冲的占空比可以远小于50％。

电路图以及仿真结果如下，矩形脉冲的峰峰值幅度大约为21V。

矩形脉冲产生电路图

矩形波曲线

3、锯齿波产生电路：

锯齿波产生电路是以矩形波为输入，通过运放LM741组成的指数阶电路，形成积分器，经过C3的充放电形成近似的锯齿波。

锯齿波峰峰值幅度大约是10V。

锯齿波产生电路图

锯齿波曲线

4、阶梯波产生电路：

阶梯波产生电路是以矩形脉冲波为输入信号，每输入一次矩形脉冲，就给电路充一次电，但是，由于给电容充电时，二极管导通，电流流过。

充电结束，电流反向，二极管截止，电荷不能释放掉，电压不变，随着下一次充电的到来，电压叠加在原来电压之上，成为阶梯波，直到达到矩形波的电压，这是二极管导通，电容放电，电压又回到0，一个周期结束，然后重新进行下一次的阶梯波产生。

阶梯波产生电路

阶梯波曲线

5、电压变换电路以及总电路：

电压变换电路是以锯齿波和晶体管集电极电压为输入，把集电极的输出电流转化为电压输出，以方便示波器读出电流的值，进而显示出输出特性曲线。

电压变换电路及全电路

晶体管测试电路输出曲线

六、实验数据及实验结果：

a）矩形脉冲波：

频率f＝543Hz

周期T＝1.842ms

矩形脉宽τ＝0.110ms

占空比D＝τ/T＝5.97％

峰峰值幅度Vpp＝21.2V

b）锯齿波：

幅度Vpp＝11.55V

周期T＝1.835ms

c）阶梯波：

阶梯数10

阶梯间隔0.309V

d）β值的测量：

曲线间距0.47V

β＝（0.47/0.5k）/（0.309/100k）＝331

七、思考题

1．在图2所示的电路中，被测晶体管发射结的压降不同对测量结果会不会有影响？

如果要求测量以发射结电压VBE为参变量的输出特性曲线，电路应如何修改？

答：

被测晶体管发射结的压降不同对测量结果不会有影响。

只要VBE＞VBE（TH）晶体管导通后VBE就基本不变了，而阶梯波每一级的幅度也固定，因此每两次扫描之间基极电流之差也基本不变，对测量结果不会有影响，只是整个特性曲线有可能上下移动一点。

如果要求测量以发射结电压VBE为参变量的输出特性曲线，则可以把基极电阻R去掉，直接把阶梯波加到基极，同时把调整阶梯波发生电路，使每一阶的幅度下降到0.1V左右，上升到1V为止。

2．在图2所示的电路中，使用一个矩形波振荡电路产生矩形脉冲，分别经锯齿波变换电路和阶梯波变换电路产生锯齿扫描电压和阶梯基极电流，这是为什么？

如果用锯齿波振荡电路和阶梯波振荡电路分别产生锯齿扫描电压和基极阶梯电流，这样设计可以吗？

为什么？

答：

用同一个矩形波振荡电路产生的矩形脉冲（相当于时钟源）去产生锯齿扫描电压和阶梯基极电流可以使锯齿波的周期与基极阶梯波每一级的时间完全同步；如果用锯齿波振荡电路和阶梯波振荡电路分别产生锯齿扫描电压和基极阶梯电流就不能满足同步的条件，因此不能这样设计。

3．图1中，放大区特性曲线的斜率很小，表明晶体管的输出电阻rce很大。

为了真实的反映rce的大小，即最大限度的减小电路对所测特性曲线斜率的影响，应如何设计图2电路中的电压变换电路？

答：

实验电路中的电压变换电路是一个减法器，输入电阻为2R，因此对所测特性曲线斜率有影响。

又由于晶体管的输出电阻rce很大，因此尽管可以选用较大的电阻组成减法器，这种影响仍然存在。

一个方法是在减法器两个输入端都加一个用运放构成的电压跟随器，这样可以保证输入电阻无穷大，从而最大限度的减小电压变换电路对所测特性曲线斜率的影响。

4.图2电路中，应如何选取集电极电流的取样电阻RC的阻值？

答：

RC不能太大，否则输出特性曲线大部分集中在饱和区，不易测量；也不能太小，否则不易稳定。

实验中我取了0.5k。

5.如果要设计测量PNP型晶体管输出特性曲线的电路，图2所示电路应进行哪些修改？

答：

换成PNP后，三管脚的位置不变。

可以在原来的锯齿波和阶梯波后都加一个由运放构成的反相器，使锯齿波和阶梯波都变成从0电平逐渐下降到某负值（如-10V和-8V）,然后又迅速回到0V的波形（即让原来的锯齿波和阶梯波的波形都关于时间轴对称下来）。

这样就可以得到PNP型晶体管输出特性曲线。

这样得到的特性曲线在第三象限，如同把NPN的特性曲线旋转180°。

6．在实验中发现示波器在显示晶体管输出特性曲线的图形时有回归线，是什么原因？

应如何解决？

答：

这是由于锯齿波回零速度太慢造成的，应该使锯齿波扫描电压在达到峰值后迅速回零。

解决方法是减小R6的值，使C3可以更迅速的放电。

八、实验心得:

这是本学期的第一次实验，但做得并不理想，主要是插面包板这个环节做不好，布线混乱，经常出现没有插牢的情况，导致经常检查电路以至于浪费了许多时间，今后要科学布线，使电路简洁，不易出故障。

另外仿真结果与实际有点出入，以致实验中需要修改部分元件。

总之通过这次实验，我分析电路能力和实际动手能力都有很大的提高。

希望今后的数点实验和小学期的模电专题实验我同样能够很好的完成。