晶体管开关特性、限幅器与钳位器.doc

实验二　晶体管开关特性、限幅器与钳位器
1．实验目的
（1）观察晶体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对晶体管开关特性的影响
（2）掌握限幅器和钳位器的基本工作原理。
2．实验原理
（1）晶体二极管的开关特性
　　由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同状态的转换过程。
如图2－1电路，输入端施加一方波激励信号Vi，由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置(+V1)变为反向偏置(-V2)时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流，并维持一段时间ts（称为存贮时间）后，电流才开始减小，再经tf（称为下降时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流I0，将trr＝ts＋tf叫做反向恢复时间，trr与二极管的结构有关，PN 结面积小，结电容小，存贮电荷就少，ts就短，同时也与正向导通电流和反向电流有关。
当管子选定后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。
　 （2）晶体三极管的开关特性
晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一定的时间才能完成。
如图2－2电路的输入端，施加一个足够幅度（在-V2和+V1之间变化）的矩形脉冲电压Vi激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。可见晶体管T的集电极电流 ic和输出电压Vo的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，其上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图2－2 波形所示，从Vi开始跃升到ic上升到0.1ICS，所需时间定义为延迟时间td，而ic从0.1 ICS增长到0.9 ICS的时间为上升时间tr，从Vi开始跃降到ic下降到0.9ICS的时间为存贮时间 tS,而iC从0.9ICS下降到0.1ICS的时间为下降时间tf，通常称ton＝td＋tr为三极管开关的“接通时间”，toff＝tS＋tf 称为“断开时间”，形成上述开关特性的主要原因乃是晶体管结电容之故。

图 2-1 晶体二极管的开关特性 图2-2 晶极三极管的开关特性
改善晶体三极管开关特性的方法是采用加速电容Cb和在晶体管的集电极加二极管D箝位，如图2－3所示。
Cb是一个近百PF的小电容，当vi正跃变期间，由于Cb的存在，Rb1相当于被短路，Vi几乎全部加到基极上，使T迅速进入饱和，td和tr大大缩短。当Vi负跃变时，Rb1再次被短路，使T迅速截止，也大大缩短了ts和tf，可见Cb仅在瞬态过程中才起作用，稳态时相当于开路，对电路没有影响。Cb既加速了晶体管的接通过程又加速了断开过程，故称之为加速电容，这是一种经济有效的方法，在脉冲电路中得到广泛应用。
箝位二极管D的作用是当管子T由饱和进入截止时，随着电源对分布电容和负截电容的充电，Vo逐渐上升。因为VCC＞EC，当Vo超过EC后，二极管D导通，使Vo的最高值被箝位在EC，从而缩短Vo波形的上升边沿，而且上升边的起始部分又比较陡，所以大大缩短了输出波形的上升时间tr。
（3）利用二极管与三极管的非线性特性，可构成限幅器和箝位器。它们均是一种波形变换电路，在实际中均有广泛的应用。二极管限幅器是利用二极管导通时和截止时呈现的阻抗不同来实现限幅，其限幅电平由外接偏压决定。三极管则利用其截止和饱和特性实现限幅。箝位的目的是将脉冲波形的顶部或底部箝制在一定的电平上。

图2-3 改善三极管开关特性的电路 图2-4 二极管开关特性实验电路
3. 实验内容
　　在实验板合适位置放置元件，然后接线。
　 （1）二极管反向恢复时间的观察
按图2－4接线，E为偏置电压（0～2V可调）
① 输入信号vi为频率f＝100KHz、幅值VP-P=6V方波信号，E调至0V，用双踪示波器观察和记录输入信号vi和输出信号vO的波形，并读出存贮时间tS和下降时间tf的值。
② 改变偏值电压E（由0变到2V），观察输出波形vO的ts和tf的变化规律，记录结果进行分析。
（2）三极管开关特性的观察
按图2－5接线，输入vi为100kHz方波信号，晶体管选用9013。
① 将B点接至负电源－Eb，使－Eb在0～－4V内变化。 观察并记录输出信号vO波形的td、tr、ts和tf变化规律。
② 将B点换接在接地点，在Rb1上并30PF的加速电容Cb，观察Cb对输
出波形的影响，然后将Cb更换成300PF，观察并记录输出波形的变化情况。

图 2-5 三极管开关特性实验电路 图2-6 二极管限幅器
③去掉Cb，在输出端接入负载电容CL＝30PF，观察并记录输出波形的变化情况。
④ 在输出端再并接一负载电阻RL＝1KΩ，观察并记录输出波形的变化情况。
⑤ 去掉RL，接入限幅二极管D， 观察并记录输出波形的变化情况。
（3）二极管限幅器
按图2－6接线，输入vi为f＝10KHz，VP-P＝4V的正弦波信号，令E＝2V，1V，0V，－1V，观察输出波形vO，并列表记录。
（4）二极管箝位器
按图2－7接线，vi为f＝10KHz的方波信号，令E＝1V、0V、－1V、－3V、观察输出波形，并列表记录。
（5）三极管限幅器
按图2－8接线，vi为正弦波，f＝10KHz，VP-P在0～5V范围连续可调，在不同的输入信号幅度下，观察输出波形vO的变化情况，并列表记录。
图 2-7 二极管箝位器 图 2-8 三极管限幅器
4. 实验报告
　 （1）将实验观测到的波形画在方格坐标纸上，并对它们进行分析和讨论。
　 （2）总结外电路元件参数对二、三极管开关特性的影响。
5. 实验预习要求
（1）如何由+5V和－5V直流稳压电源获得+3V～－3V连续可调的电源。
　 （2）熟知二极管、三极管开关特性的表现及提高开关速度的方法。
（3）在二极管箝位器和限幅器中，若将二极管的极性及偏压的极性反接，输出波形会出现什么变化？

图2-9 万用表Ω档
6．附录：使用万用电表电阻档测量晶体管
指针式万用电表（500型）的“电阻档”，可测量元件的电阻值。其原理为：万用表内部电池作为测量电源，流过被测元件的电流使指针偏转，根据欧姆定律制作表盘的“电阻档”刻度，因此可以根据表盘刻度直接读出被测器件的电阻值。当被测电阻的阻值为零时，指针偏转最大（满度）。万用表Ω×1～Ω×1K档使用内部的1.5V电池，Ω×10K档使用内部的9V电池。由图2.9可以看出，万用表的黑表笔连接内部电池的正极，红表笔连接内部电池的负极，使用时应该注意。使用指针式万用电表测量半导体器件，是借用万用电表内部的电池作为测量电源，根据指针偏转的情况判断晶体管的某些参数。由于“电阻档”不是专门为测量晶体管而设计的，所以其电阻档的读数没有实际意义，只能作定性的判别。
数字式万用表（890型）具有专门测量晶体二极管和晶体三极管的功能，它的 档可用于测量二极管PN结的单向导电性。该档的显示值大约等于二极管正向导通压降（mV）。测试条件为：正向电流约1mA，开路电压约2.8V。
数字万用表的表笔颜色与内部电池的极性一致，即：红表笔接内部电池的正极，黑表笔接内部电池的负极。
数字万用表的HFE档用于测量晶体三极管的值，测试条件为：IB≈10μA ，VCC≈2.8V 。
（1）二极管的测量：
一个质量好的二极管，应该是反向电阻趋于无穷大，正向电阻越小越好。
①图 2-10 测量二极管
使用指针式万用表：使用指针式万用表测量二极管，通过测量二极管PN结的单向导电性来判断二极管的引脚极性和质量好坏。使用Ω×1K档，测量二极管的正、反向电阻，测得的电阻值越小，说明电路中的电流越大，导电性能越好；电阻值大，说明电路中的电流小，导电性能差。当电阻值小时，二极管处于正向导通状态，这时黑表笔连接的引脚是二极管的正极。见示意图2.10 。好的硅二极管应该是反向电阻无穷大，正向电阻小于10KΩ。
②使用数字万用表：使用数字万用表的档，可以测量二极管的正向导通电压。当电表指示数字最高位为“1”，其它位空白时，表示被测电路的电阻无穷大，三极管处于反向截止状态；当指示为3位数时，为正向导通状态，其显示的数值约等于二极管的正向导通电压毫伏（mV）值。在正向导通状态，红表笔连接的是二极管正极。
（2）稳压管的测量：
图2-11 晶体三极管内部PN结结构
在外加反向电压小于“反向击穿电压”时，稳压管的特性如普通二极管，可用上述方法检测其正、反向电阻，来判断是否损坏，以及判断引脚极性。由于500型指针万用表的Ω×10K档使用9V电池，因此对于稳压值小于9V的稳压管，如果使用Ω×10K档来测量，则正、反向都会导通。
（3）发光二极管（LED）的测量：
同普通二极管。但由于发光二极管的正向导通电压约2V，因此使用指针式万用表测量时，必须使用Ω×10K档。如果使用Ω×1K档测量，正、反向都不导通。
（4）三极管的测量：
三极管是由两个PN结（发射结、集电结）组成的器件，一般具有3个引脚（某些型号三极管（例如3DG56型）具有四只引脚，其中一个脚接管壳，供接地屏蔽用）。使用万用表可以判别三极管的极性（NPN或PNP型）、管脚（e、b、c）和估计三极管的性能好坏。
图2.11所示为NPN和PNP型晶体三极管的PN结结构。根据图示结构，可以使用万用电表区分出三极管的极性和接脚。以下的测量方法适用于数字表和指针表。
① 区分三极管的基极b：
图2-12 测量三极管PN结

由图2.12可以看出，如果在c、e之间加测量电压，无论电源方向如何，总有一个PN结处于反向偏置状态，电路不会导通。
测量方法：用万用表的红、黑表笔分别接触三极管的任意两个管脚，测量一次后，如果电阻值无穷大（指针表的表针不动；数字表只显示“1”），则将红、黑表笔交换，再测这两个管脚一次。如果两次测得的电阻值都是无穷大，说明被测的两个管脚是集电极c和发射极e，剩下的一个则是基极b。如果在两次测量中，有一次的阻值不是无穷大，则换一个管脚再测，直到找出正、反向电阻都大的两个管脚为止。（如果在三个管脚中找不出正、反向电阻都大的两个管脚，说明三极管已经损坏，至少有一个PN结已经击穿短路。）
要想区别e和c ，需要测出三极管的极性后再进一步测量。
图2-13 区分三极管的极性

② 区分三极管的极性（NPN、PNP）：
测出三极管的基极b后，通过再次测量来区分三极管是NPN型还是PNP型。由图2.13可知：当在基极加测量电压的正极时，NPN管的基极对另外两个极都是正向偏置，而PNP管的基极对另外两个极都是反向偏置。所以测量方法如下：
图2-14 三极管测量
将万用表的正表笔（指针表的黑表笔；数字表的红表笔）接触已知的基极，用另一支表笔分别接触另外两个管脚，如果另外两个管脚都导通，说明被测管是NPN型，否则是PNP型。
③ 测量三极管是否损坏：
三极管的损坏，是因为三极管的PN结损坏所致。PN结的损坏分为两种情况：短路和断路。短路是指PN结失去“单向”导电性，成为通路，正、反向电阻都近似为零；断路是指PN结内部开路，电阻无穷大。使用万用表判别三极管是否损坏，就是通过测量三极管的发射结和集电结是否具有单向导电性来判别三极管的好坏。在以上两项的测量中，可以发现是否有PN结损坏。损坏的PN结或者是正、反向电阻都趋于零，或正、反向电阻都无穷大，由此可以判别三极管是否损坏。
④ 区分发射极和集电极：
使用指针式万用表：
三极管的发射结、集电结对称于基极，所以仅仅通过测量“PN结单向导电性”难以区分出哪一个是发射极，哪一个是集电极。但发射结和集电结的结构有所不同。制造三极管时，发射区面积（体积）做得小，掺杂浓度高，便于发射载流子；而集电区面积大，掺杂浓度低，便于收集载流子，所以c、e正确连接电源时，三极管具有较大的电流放大的能力，用万用表Ω档测量，c、e之间的电阻小；当c、e与电源连接反了时，电流放大能力很差，c、e之间的电阻很大。
测试方法：
在已经确定了“极性”和“基极”的被测三极管上，先假定基极之外的两个脚中的某一个脚是集电极，则另一个脚为假定发射极。用万用表的Ω×1K档按图2.14测试，图中的100K电阻是基极偏流电阻，需要外接，并与假定的集电极连接。在假定的集电极和发射极引脚上加正确测试电压：NPN管的集电极应连接黑表笔，发射极连红表笔；PNP管相反。记录万用表的读数；然后将假定管脚交换，即将假定的集电极与发射极交换，仍按上述方法连线测量（注意基极偏流电阻总是连接假定的集电极），再次记录读数。两次测量中，读数小（即电阻值小）的一次是正确的假定。这样就区分出了发射极和集电极。测量时两人同时操作较方便。如果单人操作，可使用“鳄鱼夹”夹持管脚，或用两手分别捏住表笔和管脚，然后用舌尖舔基极，利用人体电阻作为基极偏流电阻，也可进行测量（除了急需，不建议使用此法）。
使用数字万用表来区分集电极和发射极十分方便。仍然需要先测出被测管的极性和基极。然后将数字表旋钮对准HFE档，将被测管按假定的e、c插入数字表的“三极管测量插座”中，其中基极和三极管的极性（NPN或PNP）必须正确，观察并记录数字显示的被测管HFE值；交换假定的c、e之后再测一次。两次测量中数值大的一次为正确插入。由此判断出被测管的e和c。
图2-15 N沟道结型场效应管结构
（5）结型场效应管的测量
下面介绍结型场效应管的测试方法。
结型场效应管的内部结构如图2.15所示。由图可以看出，当栅源电压（VGS）为0V时，场效应管的导电沟道最宽，沟道电阻最小，漏极与源极是导通的，其电阻值为直流导通电阻Ron （约几KΩ），而栅极与其它极之间呈现单向导电性。因此使用万用表可以很方便的将栅极与其它两个极区分。源极和漏极不必再区分，因为结型场效应管允许源极和漏极互换使用。
测试方法：
使用指针式万用表Ω×1K档或数字万用电表档。
① 找出栅极：栅极与其它两个极之间有单向导电性，而漏、源极之间正反向电阻相等。由此区分栅极。
② 判断管子极性：根据栅极的单向导电性，可以判断管子是N沟道型或P沟道型。
③ 判断管子好坏：将表笔连接在已测出的源极和漏极上，观察并记录读数，这个数值越小，说明场效应管的导通电阻（Ron）越小；然后用手捏住栅极，万用表读数会有改变，数值变化越大，说明管子的放大倍数（跨导gm）越大。Ron小、gm大的管子质量好。
（6）使用“晶体管特性图示仪”测量晶体三极管管参数。
“晶体管特性图示仪”是一种可以设定测试条件，定量显示被测管“输入特性”和“输出特性”的电子设备，测试项目多、测量结果准确。只要了解其工作原理，使用起来并不复杂。使用“晶体管图示仪”测试晶体三极管之前，必须预先了解被测管的极性和管脚（根据元件型号查阅手册或用万用表测得）。“晶体管图示仪”的工作原理和使用方法在附录部分有详细介绍，这里不再赘述。