晶体管输出特性曲线测试电路的设计实验报告

晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-1-晶体管输出特性曲线测试电路的设计无29班宋林琦2002011547一、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。要有具体指标的要求。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，则应将集电极电流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，基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，达到某一图2晶体管输出特性测试电路图1晶体管输出特性曲线VCEVCC0IsIB=0IB=5μAIB=10μA10987654321Ic/mA晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-2-数值后又回到零值的扫描波形，本次实验采用锯齿波。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的第三个图（波形不完整，没有下降）。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、主要设计指标和要求：1、矩形波电压（VO1）的频率f大于500Hz,误差为±10Hz，占空比为4%~6%，电压幅度峰峰值大约为20V。2、晶体管基极阶梯波VO3的起始值为0，级数为10级，每极电压0.5V~1V。3、晶体管集电极扫描电压VO2的起始电压为0V，幅度大约为10V。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，以至于时间常数不同，从而决定了矩形脉冲的占空比不是50％，而是远小于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。ViBtttV时钟源锯齿波发生器阶梯波发生器图3输出特性曲线测试电路工作波形晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-3-C10.01uR1151kR210kR310kR410kU1LM741+3-2V+7V-4OUT6OS11OS2500V112V212D3D1N4305PORTBOTH-LVCCVCCVDDVDD0矩形脉冲产生电路图矩形波曲线晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-4-3、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。juchiboU2LM741+3-2V+7V-4OUT6OS11OS25VCCVDDR610kR710kR8200kD4D1N4305PORTBOTH-LD5D1N4305C30.01uVCCD6D1N43050锯齿波产生电路图锯齿波曲线晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-5-4、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，充电之后又保留了电荷，直到达到矩形波的电压，二极管不能截止，放一次电，泄放掉所有电荷，使电压又回到0，重新进行下一次的阶梯波产生。0Q3Q2N995jietiboU4LM741+3-2V+7V-4OUT6OS11OS25C20.01uC40.01uVDDVCCD7D1N4305D8D1N43050R510kVDDR910kR1010kR1120kR121kR138kR1492k0PORTBOTH-LQ1Q2N914阶梯波产生电路阶梯波曲线晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-6-5、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。juchibojietibovxU7LM741+3-2V+7V-4OUT6OS11OS25R23100kR24100kR25100kR26100kR2751kQ5Q2N9140R281kvyVDDVCC电压变换电路及全电路晶体管测试电路输出曲线晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-7-六、实验内容和步骤：1、按所设计好的电路安装电路，注意元器件的合理布局以及接触良好，连线尽量整齐，以便于检查。2、调试电路，使之正常工作，并满足设计要求。3、测定三种波形的有关参数以及给定晶体管的输出特性曲线。七、实验数据及实验结果：1、矩形脉冲波：频率f＝509Hz，周期T＝1.96ms，矩形脉宽τ＝0.118ms，占空比D＝τ/T＝5.9％。峰峰值幅度Vpp＝21.2V。2、锯齿波：幅度Vpp＝12.2V。3、阶梯波：阶梯数10，阶梯间隔0.7V。4、β值的测量：示波器x最大示数7.8V，曲线间距1.38V，β＝（1.38/1k）/（0.7/164k）＝323。八、实验心得及部分说明：1、关于矩形脉冲的占空比和频率的调节：（1）充放电电容的选取：由于频率主要由电容和电阻的串连回路的时间常数决定，刚开始选取的电容是0.1u，但是频率只有50多赫兹，会对后续电路产生很大的影响，所以后来改为0.01u，使频率达到500Hz，幅度也基本达到要求。（2）占空比的控制，主要由充放电电阻的差异来决定，实验中是通过不断的增大R1的阻值（从51k增加到151k），才使占空比达到要求。2、锯齿波的调节：锯齿波刚开始时有切顶现象，估计应该是由于RC常数过大，或者是由于充放电的时间不够协调，使得电容已经充完电还未到下一次的放电。所以实验中是通过加大R8的阻值来达到协调的，并且由于输入的矩形脉冲幅度决定，锯齿波的幅度也满足要求。3、阶梯波的调节：阶梯波的调节，主要是调节阶梯波的阶数和阶梯间距。阶梯数是由电阻R11和变阻器来调节的，通过增大R11可以增加阶梯数，刚开始做实验的时候，由于R11选取过小，导致刚刚出现7阶，增大R11后达到了10阶。由于实际电路中很难随意调节变阻器（实际是由两个电阻串联组成的），所以只是大致调节了串联的电阻比值为8：92（实际用的是8.2k和8.2k＋82k＋1k），然后再确定R11（接入电阻）。4、电压变换电路：电压变换电路主要是把集电极的电压取为输入，然后转换为电流输出，所以需要一个取样电阻，本实验中取样电阻取得很小，主要是为了电阻匹配问题，以便使被测晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-8-量晶体管能够正常工作在放大区。这里输入为Vcc和Vce，利用的LM741组成减法器，输出Vcc－Vce。5、测量输出特性电路：测量电路由锯齿波、阶梯波、电压变换电路组成，阶梯波加在被测量晶体管的基极上，并通过一个基极电阻来连接起来。基极电阻有着非常重要的作用，可以有效地调节被测晶体管的静态工作点，做实验的时候，刚开始由于该电阻过小，使得阶梯波在到达某一条时晶体管已经达到饱和，无法显示出输出特性曲线，导致所出现的晶体管输出特性曲线达不到10条（实验中只有3、4条）。后来，通过调节基极电阻，从51k增大到2×82k，终于使得晶体管脱离饱和，输出特性曲线达到了10条，并且满足了要求。九、实验问题分析：1、关于阶梯波的问题：本次实验中阶梯波得到的是关于电压的阶梯波，由于电路没有设计电压阶梯转换为电流阶梯的部分，所以没有得到电流的阶梯。但是，由于阶梯波所接电阻基本恒定（因为还涉及到晶体管的输入动态电阻），所以相当于输入的还是阶梯电流，只是略有出入。2、阶梯波的最小阶梯并不是完全从0开始，而是稍微有一点的非0电压，所以相当于是在0阶梯波的基础之上叠加一个直流的分量，但是只要该分量足够小，在误差允许范围之内就可以满足要求了。3、仿真和实验的差别，由于实验中有很多无法预知的因素，比如电阻的参数误差造成的不匹配，电容的误差，示波器的阻抗等等，所以必须在实验过程中做必要的改变，以适应实际中的差异。比如，仿真中，矩形电压的脉冲占空比非常容易就会达到，但是，实验中却是比仿真增大了很多（几十k）才达到占空比要求的。这或许是因为电阻的匹配问题或者二极管的反向电流过大或正向电阻过大造成。另外，由于仿真中被测晶体管的基极电阻取的很小（如图：只有大概50k），就能够显示出10条波形，但是，实验中，却只能显示出3、4条波形，直到基极电阻取到164k时才能显示出10条被测曲线。十、实验总结：1、本次实验为模拟电路的综合设计实验，但是，虽然为综合性实验，其本质还是以分块设计的小电路为主，比如矩形波发生电路、锯齿波发生电路、阶梯波发生电路、电压变换电路等等。所谓的综合性是以实现各个分立电路的功能为基础的。比如：锯齿波和阶梯波都必须依赖于矩形脉冲波的输入，首先矩形脉冲波的幅度和占空比必须符合要求，其次才能使其它电路满足要求。同时整个电路的完成又是靠各个分立电路的协调匹配来实现的。如果某个电路出现问题，势必会影响到其它电路和整个测试电路。2、虽然各个分立电路对整体电路起着至关重要的作用，但是即使每个分立电路独力工作正常，整个电路也未必会工作正常，因为这里面还涉及到电路间的匹配和连接，如果某个电路的允许输入阻抗和另一个电路的输出阻抗之间差异太大，则会严重影响分立电路的功能。比如本次实验中，阶梯波与晶体管的基极输入端之间的连接电阻，对晶体管的直流工作点调节起着至关重要的作用，如果该电阻阻值选取不当，则会造成很多影响（比如输出特性曲线成为贴在一起的竖直一簇）。3、实验过程中，如何合理的安排面包板上电路布局和如何插线是非常值得注意的。布晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计COPYRIGHT◎SongLinqi宋林琦（2002011547）-9-局要做到松散有序，不使面包板上某处过密，而另外处却是空的。采用求近原则，尽量在最临近的地方引线，并且，对于连线过多的节点，比如：接地端、正向电源端、反向电源端、输出端等等，可以接在面包板的最下（上）的多排引脚处。另外，可以充分利用导线的颜色来区分节点，比如：正向电源接红色导线、反向电源接黑色导线、接地端接白色导线、输出端接绿色导线等等。4、关于元件的插入，应尽量使元件管脚长度适当，一方面可以使电阻等