晶体管输出特性曲线实验报告

《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第1页实验题目：晶体管输出特性曲线测试电路的设计姓名：林霁澜学号：2014011144日期：2015.11.24&2015.12.1《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第2页一、实验目的(1)了解测量双极型晶体管输出特性曲线的原理与方法。(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。(4)了解进行小型电子系统设计的一般思路和过程。二、实验电路图及其说明晶体管共发射极输出特性曲线：晶体管共发射极输出特性曲线如图所示。它以基极电流𝑖𝐵为参考变量，集电极电流𝑖𝐶与集电极和发射极之间的电压𝑣𝐶𝐸的关系曲线。因此，输出特性曲线既反映了基极电流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。实验参考电路框图：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第3页如图：矩形波振荡电路产生矩形波脉冲输出电压𝑣𝑜1。该电压一方面经过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；另一方面经过阶梯波形成电路及电压电流转换电路变换成阶梯电流，通过隔离电阻送至晶体管的基极，作为基极驱动电流。电阻𝑅𝐶将集电极电流𝑖𝐶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Y输入端，将晶体管的𝑣𝐶𝐸加至示波器的X输入端，则示波器屏幕上会显示出晶体管的输出特性曲线。为了测量并且在示波器上显示晶体管输出特性曲线：1、将集电极电流𝑖𝐶转换为电压信号后加至示波器的Y轴输入端，集电极与发射极之间的电压𝑣𝐶𝐸应为扫描信号(锯齿波)，加至X轴输入端，示波器工作在XY模式。2、要显示基极电流𝑖𝐵为不同值时的一簇曲线，则𝑖𝐵应为逐级增加的阶梯电流。3、为了使显示稳定，必须保证𝑣𝐶𝐸与𝑖𝐵严格同步，即对应𝑖𝐵波形的每一级台阶，示波器X轴都要完成一次扫描，因此有n级阶梯电流，就会显示n条输出特性曲线。4、为了使波形不闪烁，还需满足每一簇完整的输出特性曲线显示频率不低于50Hz。（1）矩形波振荡电路设计参考要求：频率在1kHz以上，占空比小于10%（在输出幅度50%处测量），矩形波电压幅度为𝑉𝑝𝑝≈20V（由运放产生）或𝑉𝑝𝑝≈5V（由555产生）。记录矩形波频率和占空比。注意事项：若采用运放产生矩形波，设计时电阻阻值最好不低于10kΩ。（2）锯齿波形成电路《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第4页设计参考要求：锯齿波的起始值为0V（最好不高于0.1V），幅度不低于4V。记录锯齿波幅度。注意事项：𝑅2阻值远小于𝑅1。（3）阶梯波形成电路设计参考要求：产生阶梯波16级，每级阶梯之间的电压差ΔV=0.5V±20%。记录阶梯波级数和ΔV。注意事项：计数器采用74HC161，电源Vcc为5V，产生的阶梯波级数为16级。（4）电平匹配电路说明：由于74HC161的𝑉𝐶𝐶为5V，因此输入74HC161的矩形波的低电平必须约为0V，高电平不得大于5V，所以如果采用运放产生的矩形波，其为幅度为-12~+12V，则必须插入电平匹配电路。（5）电压电流转换电路设计参考要求：∆𝑖𝐵起始值为0（最好不高于0.5µA），每一级阶梯的电流增量∆𝑖𝐵=1µA±20%。记录∆𝑖𝐵。注意事项：1、当R1=R2=R3=R4=R时，流过负载电阻RL中的电流为：iL=vI/R2、调试：RL=100k，测得RL两端的每一级阶梯电压100mV即每一级阶梯电流增量为1µA《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第5页（6）加装电路测量输入输出特性曲线设计参考要求：增加集电极负载电阻RC和电压相减电路。示波器用XY模式，记录晶体管输出特性曲线。注意事项：1、当R1=R2=R3=RF时，输出电压vo为：vo=vI1-vI22、为了测量的晶体管输出特性曲线的条数足够多，RC不可过大，建议以1kΩ为宜。3、由于晶体管的输出电阻rce很大，为了最大限度地减小测试电路对所测特性曲线的影响，应尽量加大电压相减电路的输入电阻。（7）加装电路，使阶梯波的级数可调，从而使晶体管输出特性曲线的条数可调说明：在阶梯波后增加电压比较电路，并反馈至74HC161的清零端。当输出阶梯波电压大于Vref，电压比较器跳变，74HC161清零并重新计数，以此改变阶梯波级数。Vref由电位器与恒压源组成，调节电位器即可调节Vref。《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第6页三、预习报告(1)矩形波振荡电路设计要求：频率在1kHz以上，占空比小于10%(在输出幅度50%处测量)，矩形波电压幅度为𝑉𝑝𝑝≈20𝑉(由运放产生)或𝑉𝑝𝑝≈5𝑉(由555产生)。注意：若使用运放产生矩形波，设计时电阻阻值最好不低于10kΩ。采用运放产生，设计电路如下：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第7页周期频率幅度占空比理论计算748μs1.34kHz约23V7.14%仿真结果899.145μs1.11kHz22.235V9.89%实验测量(2)锯齿波形成电路设计要求：锯齿波的起始值为0V(最好不高于0.1V)，幅度不低于4V。注意：𝑹𝟐阻值远小于𝑹𝟏。记录其幅度。设计电路如图：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第8页起始值幅度仿真结果68.736μV6.093V实验测量(3)阶梯波形成电路设计要求：阶梯波的级数不小于10级，每级阶梯之间的电压差ΔV=0.5V±20%。注意：a)计数器采用74HC161，电源VCC为5V，产生的阶梯波级数为16级b)74HC161的管脚图和功能与74LS161相同，见实验指导书第219页c)利用电荷转移原理形成的阶梯波电路，实验中很难调整，建议不采用d)注意电平匹配。由于74HC161的VCC为5V，因此输入矩形波的低电平必须约为0V，高电平不得大于5V。由于使用运放产生矩形波，其幅度约-12V~+12V，必须插入电平匹配电路。设计电路如图：备注：实验使用的CD40106端口顺序与multisim中不同。《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第9页74HC161-VOH阶梯波级数nΔV理论计算5V16469.75mV仿真结果6V16566.250mV实际测量备注：仿真过程中发现multisim中只有输出高电平为4V或6V的74HC161，故仿真使用了6V的VCC。而尽管如此，使用前述幅度为0~5V的矩形波发现幅度足够作为时钟信号，故电平匹配电路使用5V为幅度的设计电路。(4)电压电流转换电路设计要求：将(3)产生的阶梯电压变幻成阶梯电流，作为被测晶体管的基极驱动电流。iB的起始值为0(最好不高于0.5μA)，每一级阶梯电流增量ΔiB=1μA±20%。记录ΔiB的值。注意：a)当R19=R20=R21=R22=R时，流过负载电阻RL的电流为：iL=vI/Rb)调试：RL=100k，测得RL两端的每一级阶梯电压100mV即每一级阶梯电流增量为1µA电路设计图：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第10页矩形波ΔVRL上ΔVLΔiB理论计算472mV92.5mV0.925μA仿真结果566.250mV111.031mV1.11μA实际测量(5)在上述电路基础上加装电路，测量NPN双极型晶体管的输出特性曲线设计要求：需增加集电极负载电阻RC和电压相减电路。示波器使用XY模式，记录晶体管输出特性曲线。注意：a)当R1=R2=R3=RF时，输出电压vo为：vo=vI1-vI2b)为了测量的晶体管输出特性曲线的条数足够多，RC不可过大，建议1kΩ为宜。c)由于晶体管的输出电阻rce很大，为了最大限度地减小测试电路对所测特性曲线的影响，应尽量加大电压相减电路的输入电阻RF电压相减电路：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第11页总电路图：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第12页(6)在(5)基础上加装电路，使阶梯波的级数可调，从而实现晶体管输出特性曲线条数可调设计要求：使输出特性曲线条数为5条、10条，并记录波形。改装：改装后总电路：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第13页5条：10条：《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第14页四、实验数据整理与分析（原始数据附最后）(1)矩形波振荡电路示波器波形：周期频率幅度占空比理论计算748μs1.34kHz约23V7.14%仿真结果899.145μs1.11kHz22.235V9.89%实验测量769μs1.29kHz20.9V10.3%备注：如图，预习中R1设计值为120kΩ(100kΩ与20kΩ)串联，实验中调整为100kΩ分析：1、在前面提到，为了使波形不闪烁，每一簇完整的输出特性曲线的显示频率不低于50Hz。考虑到最后需显示16簇曲线，故矩形波频率应大于800Hz。故矩形波振荡频率不能过低，设计要求大于1kHz。考虑𝑇=𝐶(𝑅1+𝑅1||𝑅2)𝑙𝑛2𝑅3+𝑅4𝑅4，𝐷=𝑅2𝑅1+2𝑅2，设计时取值：R1=120k，R2=10k，R3=20k，R4=51k。2、实验中由于减小了R1的阻值，由上述周期T与占空比D计算式可知，与理论值、仿真值相比，实验值周期偏小、频率偏大、占空比偏大。《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第15页3、为使后一级尽量产生理想扫描电压（逆程时间很小），即后一级积分电路充电时间远大于放电时间，则一个周期内矩形波低电平时间远大于高电平时间，故占空比不能太大。考虑到若通过R1、R2调节占空比，输出高电平时间越小，其上升、下降沿越明显，非理想方波对积分电路产生锯齿波有较大影响。这也是R1阻值调小的原因，即使输出方波更理想。综上，设计要求占空比为10%左右。4、由于实际矩形波存在上升、下降沿，所以实验及仿真测得占空比大于理论计算值。(2)锯齿波形成电路示波器波形：起始值幅度仿真结果68.736μV6.093V实验测量-0.34V7.5V分析：1、如图，当输入矩形波电压为低电平时，二极管D1截止，R1、C和运放构成积分回路，输出电压线性增长；当输入高电压时，二极管D1导通，电容通过R2、D1与R1的并联放电，输出电压线性下降。由于为锯齿波电压，电容放电时间很短，故应满足R2R1，使得电容通过较小的电阻迅速放电，《电子电路与系统基础实验》实验十晶体管输出特性曲线测试电路的设计第16页输出电压能够迅速下降。2、通过上述积分电路产生了一个与矩形波严格同步的锯齿波。由于充放电时间应与矩形波高低电平时间匹配，故R1、R2的取值与输入电压的占空比有关：输入高电平时间与低电平时间比值大致等于R2||R1与R1的阻值比，使得充放电时间与输入高低电平时间匹配。由于设计电路时理论计算占空比较小，故取值为R1=150k，R2=5.1k。但实际占空比较大，故可看出本实验中R2取得偏小了，即放电时间过快，致使输出锯齿波起始值有一小段平的。但实验中这样的误差被容忍了。3、该锯齿波电压决定了后面被测晶体管集电极与发射极电压vCE，而由晶体管的输出特性曲线位于第一象限，为使输出特性曲线完整，其扫描电压起始值应从原点开始，即锯齿波电压起始值应为0V，设计要求不能高于0.1V。实验中为-0.34V，相当于在负半轴一小段也进行扫描，对第一象限特性曲线无影响，仍然满足要求。4、同理为使输出特性曲线完整，锯齿波幅度不能太小，否则无法显示晶体管进入恒流区的特性曲线。设计要求大于4V。(3)阶梯波形成电路示波器波形：74HC161-VOH阶梯波级数nΔV理论计算5V16468.75mV仿真结果6V16