测量晶体管输出特性曲线

范文一：测量晶体管输出特性曲线

测量晶体管输出特性曲线

1. 实验目的

1)理解晶体管输出特性;

2)掌握直流扫描分析方法;

3)掌握后处理器的使用。

2. 实验内容

如图1所示为晶体管输出特性曲线测试电路，在multiSIM2001 环境下，无须通过逐点测量来产生特性曲线，使用DC Sweep 分析功能，并通过后处理器的配合使用，可以直接获得晶体管输出特性曲线。

图1

(1) 直流扫描分析

? 执行菜单“Simulate”?“Analyses”?“DC Sweep”进行参数扫描分析。

? 根据图2所示进行参数设置，其中Source 1 设置为Use，Source 2 设置为Ib。

图2

? 设置输出节点为流过电压源Vce的电流，即vvce#branch，实际上就是-Ic。

? 单击图2中的【Simulate】按钮，系统进行仿真分析，屏幕弹出如图3所示的分析结

果图。显然，该图中的曲线与实际的晶体管输出特性曲线有一定的不同，主要在于纵

坐标，图中为vvce#branch，实际上就是-Ic，这不符合正常的习惯，所以要通过后处

理器来解决这个问题，即把纵坐标倒相。

图3

(2) 后处理器的使用

? 执行菜单“Simulate”?“Post process”，屏幕弹出后处理器对话框，如图4所示。

图4

? 单击【New Page】按钮，建立新页“NPN型晶体管输出特性曲线”。 ? 单击【New Graph】按钮，建立新曲线“NPN特性曲线”。

? 在Analysis Results 栏中选中“DC transfer characteristic (dc01)”;然后选中Availabe

functions 栏中的函数“—”，单击【Copy Function To Track】按钮;再选中Analysis

Variables 栏中的变量“vvce#branch”，单击【Copy Variable To Track】按钮，定义变

量;最后单击【Add Track】按钮，确定曲线“-dc01.vvce#branch”(即把纵坐标改为

Ic)，并显示在Track to plot栏中。用同样的方法设置其他6条曲线，如图4所示。 ? 单击图4中的【Draw】按钮，系统进行仿真分析，屏幕弹出分析结果图，如图5所示。

从图中可以看出，经过后处理的曲线与实际的晶体管特性曲线一致。

图5

范文二：晶体管输出特性曲线实验报告

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

一、实验目的

(1) (2) (3) (4)

了解测量双极型晶体管输出特性曲线的原理与方法。熟悉脉冲波形的产生和波形变换的原理和方法。熟悉各单元电路的设计方法。

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：

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

V。记录矩形波频率和占空比。 pp≈20V（由运放产生）或Vpp≈5V（由555产生）

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

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/R

2、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

（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-vI2

2、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1k?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。

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：

(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：

(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。

备注：

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/R

b) 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：

(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-vI2

b) 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1k?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：

总电路图：

(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：

5条：

10条：

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：

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)ln

2R3+R4

，D=R

1+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。

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：

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R2<>

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：

分析：

在设计电路时，考虑实验使用74HC161的VOH=5V，其产生阶梯波电压差=VOH/16=0.3125V，故设计实验中同相电压放大器两个电阻取值为R9=51k，R10=100k，放大倍数为1.51，使得最终输出阶梯波电压差ΔV=0.3125·A=468.75mV以满足要求。而在multisim中只有输出高电平为4V或6V的74HC161，仿真使用了VOH=6V的计数器，未改变设计电路的电阻设计值，故仿真所得到的结果为566mV，大于实验值480.5mV。实验值与理论值符合较好，满足设计要求。

(4) 电压电流转换电路

示波器波形：

分析：

1、由前述，流过负载电阻的电流iL=vI/R，欲使iL=1μA，由前一级阶梯波电压差约470mV，故取R=510k。

实验测得ΔiB=0.855μA，满足设计要求。

2、下一级电路即直接连接晶体管测量其输出特性曲线，RL检测电流无误，需取下RL，将该结点与晶体管基

极，为晶体管提供基极驱动电流。

(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

示波器波形：

分析：

1、 RC为集电极负载电阻，目的是检测IC以形成电压信号输入到示波器Y端。若RC很大，则会导致电流IC很

小，对IC会起限制作用。晶体管输出特性曲线的纵轴为 IC，若IC被限制的很小，则会导致输出特性曲线不完整，恒流区电流较大的曲线不能显示，即输出波形的曲线条数变少。故RC不可过大，取RC=1k。 2、晶体管rce很大，且晶体管集电极与vl1相连，发射极接地；而电压相减电路同相输入端有接地电阻，从

而与rce并联。若放大器的输入电阻很小，与rce并联后rce等效电阻也很小，由rce=VA/IC可知，rce等效值变小会使得厄利电压VA变小，输出特性曲线的n簇曲线在负半轴的交汇点值变小，从而使得曲线在恒流区的斜率增加，曲线上扬，故应尽量加大电压相减电路的输入电阻。实验中R=200kΩ。

(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

示波器波形：

分析：按照电路图组装电路即可，原理详见实验电路说明。

五、实验总结

(1) 本次实验内容较为复杂，在实验前弄懂每一级电路的原理并做好仿真是实验能成功的关键，在调电

路时才会明白哪里可能出了问题。而本次实验书上与课件并没有给出详细的电路图，电阻、电容的取值都要自己设计，这一点尤其需要通过弄清原理与仿真来确保设计的合理性，否则无从下手。 (2) 本次实验每一级电路都用到了运放，振荡电路、积分电路、电压放大器、电压比较器等等运放这些

重要的应用都有涉及。这使我进一步加深了对运放原理的理解，将理论知识记忆得更深刻。 (3) 本次实验中学会了计数器的使用，也对课上所学时序逻辑电路知识有了更深的理解。

(4) 在第一周实验时，得到的晶体管输出特性曲线相当粗，估计可能是噪声太大的原因，而老师说由于

许多电路都公用一个地，地上的噪声很大，是最可能影响电路的。而对比别人的搭的电路与我搭的电路，发现自己从搭线、元器件的插接都非常乱，每一条地线也引得很长。在第二周实验前重新搭了一遍面包板，剪短导线、剪短裸露的电阻腿等等，在第二周果然得到了理想的波形。通过这次实验的训练，我确实在设计电路和搭电路方面都得到了很强的训练，能力得到了很大的提高。 (5) 实验中需要确保每一个元器件的可靠性，电阻、电容、741运放、74HC161使用前都需要进行测量。

本次实验在第二周进行改装阶梯波级数可调时，在已经可以调节输出特性曲线条数了的情况下，示波器波形突然消失，而通过一级一级调电路才发现锯齿波电路有一个电容烧坏，导致后序电路受影响。这次调试使我学会对电子系统如何逐级调试，并且强烈的认识到了可靠性强的元器件的重要性。

六、思考题解答

(1) 被测晶体管发射结压降不同对测量结果会不会有影响？如果要测量以发射结电压vBE为参变量的输出特性曲线，电路应如果修改？

答：不会。基极流入电流iB由电压电流转换电路产生，其近似为恒流输入(对于每一级阶梯而言)，由二极管指数率的伏安特性曲线可知，在iB确定时，其发射结压降与iB一一对应。故当我们用iB作为参量看其对输出特性曲线的控制时，发射结压降实际也随iB一同变化，故发射结压降的变化不会影响测量结果。

修改：去掉电压电流转换电路，调整阶梯波电路的同相电压放大器放大倍数，使幅值满足要求后，晶体管基极与阶梯波电路输出直接相连即可。 (2) 使用一个矩形波振荡电路产生矩形脉冲，分别经锯齿波形成电路和阶梯波形成电路产生锯齿扫

描电压和阶梯基极电压，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阶梯基极电压，可以吗？

答：①为了使显示稳定，必须保证扫描电压vCE与基极电流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。所以使用同一个矩形波去产生阶梯波和锯齿波，就能够使阶梯波每一级台阶的时间和锯齿波的周期完全相同，两者严格同步。

②不可以。这样难以确保扫描电压与基极电压严格同步，输出波形不稳定。 (3) RC为集电极电流的取样电阻，也是被测晶体管的集电极负载电阻，应如何选取RC的值。

答：作为取样电阻，RC应足够大，使得IC流过它产生的电压也足够大，以减小噪声的干扰。而作为集电极负载电阻，倘若RC过大，会导致IC很小，限制了IC的大小后，由晶体管输出特性曲线可知，在上面的曲线（恒流区电流较大）可能无法完全显示，即输出波形的曲线条数不够。

《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

所以RC取值应适中，实验中取1kΩ。

(4) 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

最大限度的减小测试电路对所测特性曲线斜率的影响，应如何设计电压变换电路？

答: 应尽量加大电压相减电路的输入电阻。晶体管rce很大，且晶体管集电极与vl1相连，发射极接地；而电压相减电路同相输入端有接地电阻，从而与rce并联。若放大器的输入电阻很小，与rce并联后rce等效电阻也很小，由rce=VA/IC可知，rce等效值变小会使得图像上厄利电压VA变小，输出特性曲线的n簇曲线在负半轴的交汇点值变小，从而使得曲线在恒流区的斜率增加，曲线上扬。故为最大限度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。

(课件思考题已在实验数据分析中回答)

七、原始数据

（数据修改源于R1阻值的改变，助教签字已确认）

第21页

范文三：基于Multisim的晶体管输出特性曲线测试

邓玉元等: 基于的晶体管输出特性曲线测试 M u lt is im

基于的晶体管输出特性曲线测试M ultis im

邓玉元, 黄天禄, 蒋卓勤

()西安通信学院陕西西安 710108

摘要: 是一个专门用于电子线路仿真与设计的工具软件。简要介绍了利用的仿真分析法 M u lt isim EDA M u lt isim 直流

扫描分析法和后处理器进行晶体管输出特性曲线测试的方法。

关键词: 输出特性曲线; ; 直流扫描分析; 后处理M u lt isim

中图分类号: 311156 文献标识码: 文章编号: 1004 373(2003) 07 048 02T P B X

M ultis im Ba sed Test in g M ean of the Tran s istor Output Character ist ic Curve

, , D EN G YuyuanHUAN G T ian luJ IAN G Zhuoqin

(′, ′, 710108, )X ian Comm unicat ion Co llegeX ianCh ina

: 1AbstractM u lt isim is a special softw are u sed fo r electron ic circu it design and sim la t io n T h is paper w ill b riefly in t roduce how

1to u se the S im u la t io n A nalysis to test the Cu rve of T ran sisto r O u tpu t Characteristic

: ; ; Keywordst ran sisto r ou tpu t characteristicDC sw eep analysispo stp rocesso r

)晶体管是模拟电子技术的核心器件。晶体管输出分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等。特性曲线是全面描述晶体管各极电流与级间电压关系将原理图的创建, 电路的测试分析、结 M u lt isim 的曲线, 他对于了解晶体管性能和晶体管电路分析都果的图表显示等, 全部集成到同一个电路窗口中。整

个操作界面就像一个实验工作台是非常有用的。为了能设计好模拟电路, 设计者通常 , 与实际操作近乎相

同。希望能得到晶体管的输出特性曲线。在实验室没有专

门的特性测试仪时, 通常采用逐点测量法来测量。但 2 晶体管输出特性曲线测试这种方法太繁琐, 需要测出一大堆数据后才能画出其利用仿真分析法中的直流扫描法可以 M u lt isim 特性曲线。如果采用则可以快捷而方便, M u lt isim 完成对晶体管输出特性曲线的测试。直流扫描分析法地测出晶体管的输出特性曲线。的原理是: 在晶体管测试电路中, 先选定一个基极电 1 简介M ultis im 流值, 然后扫描的变化对集电极电流的影响, 得到 vce

该基极电流作用下与的变化曲线 (1 根) , 最后 ic vce 是一个专门用于电子线路仿真与设计 M u lt isim 再扫描基极电流变化时与的变化曲线 (1 簇)。 ic vce 的工具软件。作为下运行的个人桌面 EDA W indow s (1) 启动在电路窗口中创建测试电路, M u lt isim 电子设计工具, 是一个完整的集成化设计环 M u lt isim 如图 1 所示。境。

具有一个底大的元气件库, 具备如信号 M u lt isim

源、基本元气件、模拟集成电路、数字集成电路、指

示部件、控制部件等各种元气件。同时提供了 14 种仿

(真分析方法如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分

析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温图 1 测试电路图 ) 度扫描分析、后处理分析等和大量的仿真测试仪表 (2) 点击菜单中下的S im u la te A nalyses DC Sw (如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络命令, 打开对话框。eep A nalyses DC Sw eep A nalyses 该对话框中有 2 个可供扫描的参变量 1, 2。SouceSouce 收稿日期: 2003 01 08

《现代电子技术》2003 年第 7 期总第 150 期实战基地

选择为。表示集电极和发射极之 1 11 Soucevvvv新页 “三极管输出特性曲线”和新曲线图。间的电压, 即, 在三极管特性曲线中以此作为坐标 V ce栏内的 “三极管输出?选择A nalyses R esu lt s 横轴。取的为1 0 , 为 8 , vvState value 特V Stop value V 性测试”项下的(01) , DC t ran sfer characteristic dc

然后选中栏中的 # 增量为 0101 (该值越小, 显示的曲线越 A vailab le V ariab les vvceb ranch Increm en t V

)变量, 点击按纽, 点击平滑。 Copy V ariab le to T race A

选择为。表示三极管基极电流。取按纽, 这样, 1 根- 011出现2 # Souceiibiib dd T race dcvvceb ranch

在下部的栏中。T race to p lo t 的为 0 , 为 010005 , iib State value mA Stop value mA

?重复上述步骤, 直至 1。这是 06# 增量为 010001 (该值越小, 显示的曲 dcvvceb ranchIncrem en t mA

)一簇曲线, 后处理器每次只能处理 1 根曲线。线越平滑。

?点击按纽, 即可得到常见形式的三极管取作为。 D raw # # vvceb ranch ou tpu t variab le svvce

输出特性曲线, 如图 3 所示。是流过电压源的电流, 方向为从正极 1 1 b ranch vvvv

流进, 负极流出, 即集电极电流- , 负号表示流过集至此, 获得了完整的晶体管输出特性曲线。如果 I c

电极的电流与我们习惯上对管的正方向相 N PN I c 想改变或的大小、取值范围, 只需在直流扫描法 V ceI b

反。的对话框中改变参数值即可。

(3) 点击对话框上的得到如图 2 所示的 , S im u la te

曲线。

图 2 所示测试曲线与习惯表示法不同, 为此, 利用的后处理功能, 将测试曲线进行简单的数 M u lt isim 学运算, 将上图中的曲线变换成习惯表示法 (以表 I c

)示坐标纵轴。

图 3 三极管输出特性曲线

3 结语利用的仿真分析法测试晶体管的输M u lt isim

出特性曲线是一种简单、方便、易行的方法, 而且M u

提供了很多型号的晶体管, 可以根据需要选用lt i2 sim 图 2 三极管测试曲线不同型号的晶体管进行测试, 选择一个最佳的。同时,

(4) 启动菜单中的命令, 在 S im u la te Po stp rocess 场效应管的测试也可以同样进行。出现的对话框中进行如下设置:

?分别点击和按纽, 建N ew page N ew Graph

立

作者简介邓玉元女, 西安通信学院讲师。主要从事模拟电子线路、数字电子技术教学与研究。

()上接第 47 页

译 1 北京: 中国电力出版社, 20011 参考文献 [3 ] (美) 1系统体系 [] 1 精 Don A nderson U SB M 英科[ 1 ] 1 , U n iversal erial Bu s specificat io n com paqIn tel技译 1 北京: 中国电力出版社, 20011 , 11 11 23, M icro softN EC R evisio n Sep tem ber [ 4 ] 刘书明, 冯小平 1 数据采集系统芯片原812 A duC 19981 理与应用 [] 1 西安: 西安电子科技大学出 M 版[ 2 ] (美) 1大全 [] 1 陈逸, 等Jan A xelson U SB M 社, 20001

作者简介陈军波男, 1976 年 12 月生, 硕士研究生。主要研究方向是信号检测与处理。

范文四：晶体管输出特性曲线测试仪设计_刘小艳(1)

ISSN1002-4956

CN11-2034/T

实验技术与管理

ExperimentalTechnologyandManagement

第28卷第1期 2011年1月Vol.28 No.1 Jan.2011

晶体管输出特性曲线测试仪设计

刘小艳,张尊侨,金平

(清华大学电子工程系,北京 100084)

摘要:介绍了一种基于纯模拟电路设计实现的晶体管输出特性曲线测试仪。说明了该设计的总体原理,并详细阐述了主要单元电路的设计思想和要点。实验结果表明,该测试仪与通用示波器配合,可以观察到清晰稳定的晶体管输出特性曲线。与专用的晶体管特性图示仪相比,该测试仪的成本低,且操作简单,在电子电路实验教学和一些工程应用中可代替晶体管特性图示仪使用。关键词:晶体管;输出特性曲线;示波器;运算放大器

中图分类号:TN11-33 文献标志码:A 文章编号:1002-4956(2011)01-0059-03

Designoftestinstrumentsfortransistoroutputcharacteristicscurves

LiuXiaoyan,ZhangZunqiao,JinPing

(DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Theprincipleofakindoftestinstrumentsfortransistoroutputcharacteristicscurvesbasedonpureanalogcircuitsisintroduced.Theoverallblockdiagramoftheinstrumentisdescribed,andthedesignideasandpointsofthemainunitcircuitsareelaboratedindetail.Theexperimentresultsshowthattheinstrumentwithgeneraloscillographcanbeusedtoobservetheclearandstableoutputcharacteristiccurvesoftransistors.Comparedwiththespecialtransistorcharacteristicexhibitinstrument,thisinstrumentischeaper,anditsoper-ationissimpler.Thereforeitcanreplacethetransistorcharacteristicexhibitinstrumentintheelectroniccircuitexperimentteachingandsomeprojectapplication.

Keywords:transistor;outputcharacteristicscurve;oscillograph;operationalamplifier

晶体管的输出特性曲线是全面描述晶体管各电极电压与电流之间的关系曲线

[1]

与集电极和发射极之间的电压vCE的关系曲线,即由函数iC=f(vCE)|iB=常数表示的一族曲线[6-7]。

,用输出特性曲线来描

述晶体管的特性既简单又直观。另外,从设计者的角度来说,了解其输出特性曲线对完成好设计也是很关键的[2]。由于晶体管实际的输出特性曲线与理想的输出特性曲线存在差异,故一般需通过测量来获得实际的输出特性曲线[3]。采用逐点测量法可得到晶体管输出特性曲线[4-5],但测量过程繁杂,且存在一定的误差。本文采用纯模拟电路,设计了一种晶体管输出特性测试仪,与普通示波器配合使用,可方便而准确地测量到常见晶体管的输出特性曲线,非常适合于电子电路实验室的本科生教学实验。

1 晶体管输出特性曲线

NPN型晶体管共发射极输出特性曲线如图1所示。它是以基极电流iB为参变量,描述集电极电流iC

收稿日期:2010-06-29

作者简介:刘小艳(1983)),女,湖南省衡阳市人,硕士,助理工程师,主

图1 NPN型晶体管共发射极输出特性曲线

2 晶体管输出特性曲线测试仪设计原理

为了能在示波器上显示晶体管输出特性曲线,应将集电极电流iC转换为电压信号后加至示波器的Y

60实验技术与管理

轴输入端,集电极与发射极之间的电压vCE应为扫描信号,如锯齿波等加至X轴输入端。而要显示基极电流iB为不同值时的一族曲线,则iB应为逐级增加的阶梯电流。同时为了使显示稳定,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。为了使波形不闪烁,还需满足每一族完整的输出特性曲线显示频率不低于50Hz。

晶体管输出特性曲线测试仪的总体原理框图如图2所示[8-9]

。

图2 晶体管输出特性曲线测试仪的总体原理框图

3 主要单元电路设计

3.1 矩形波和锯齿波产生电路

为了使每一族完整的输出特性曲线的显示频率不低于50Hz,假设输出特性曲线为n条,则矩形脉冲的频率应不低于50nHz。

矩形波振荡电路的设计方案有多种,常见的有:采用运算放大器构成矩形波发生器;采用555定时器组成矩形波产生电路;还可采用迟滞比较器加上RC定时电路实现等

[10]

。本文采用运算放大器产生一个频

率约1kHz、占空比约5%的矩形波,并采用积分电路将此矩形波变换为锯齿波。3.2 阶梯波产生电路

将矩形脉冲信号变换成阶梯电压可由计数器、电阻网络和运算放大器来实现,但电路较复杂。本文利用电荷转移原理设计了较为简单的阶梯波产生电路,电路原理如图3所示。

当输入信号v1为高电平VIH时,只对C1充电,充电完成后C1上存储的电荷为VIHC1;当输入信号v1变为低电平时,C1通过R1、R2放电,通过R2的电荷为1

#VIHC1,即为C2的充电电荷,故C2上的电压

R1+R2

增量为$vC2=电压。

调节Rw可改变阶梯波的级数,其原理如下:对T2

管,vE2=v3,当T2截止时vB2=

w2w1

,故vEB2=#v3;RwRw

##VIH这就是一个阶梯

R1+R2C2

为0.7

图3 阶梯波产生电路图

V,故调节Rw可改变阶梯波的最高幅度,从Rw1

而改变阶梯波的级数。

图3中的D2与R4将运算放大器的正负端电压限制在-0.7V左右,故当输出电压v3降至0V时,vB1<>

3.3 V)I转换电路

如果直接将阶梯波输出连接到RB,由于阶梯波初始电压约为0V,而三极管导通需满足发射结电压不低于0.7V左右,因此阶梯波电压小于0.7V时三极管不能导通。本文采用V)I转换电路解决了这个问题,电路原理如图4所示。

当R6=R7=R8=R9=R时,流过负载RL的电流为io=v3/RL。由于电路的输出电阻近似为无穷大,可看作压控电流源,采用此电路便可将阶梯波电压转换当v3增大到使vEB2U0.7V时,T2开始导通,其集电极电流注入T1的基极,T1迅速导通,C2通过T1和T2快

速放电,使输出电压v3回到初始值,故v3的最大值约

刘小艳,等:晶体管输出特性曲线测试仪设计

图4 V)I转换电路图

图6 v4波形图(与图5中的vCE同一时间段内)

3.4 I)V转换电路

I)V转换电路将集电极电流iC(见图2)转换为与之成正比的对地电压v4,即v4=iCRC。由图2可知,iCRC=v2-vCE,故v4=v2-vCE,所以I)V转换电路实际上为电压减法电路。

需要注意的是,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,减法电路采用的电阻阻值必须比RC大2个量级左右。

4 实验验证与讨论

根据上述原理设计了NPN型晶体管输出特性曲线测试仪,并进行了实际调试。图5和图6分别是vCE和v4在同一时间段内的波形图,将vCE加至示波器的X轴,v4加至Y轴,便可得到晶体管的输出特性曲线,如图7

所示。特性曲线在示波器上的显示清晰稳定。

图7 示波器上显示的被测晶体管

输出特性曲线图

图8 开关控制切换锯齿波极性的电路图

图5 vCE在某一时间段内的波形图

半导体三极管除了NPN型外,还有PNP型。为了能测量PNP型晶体管输出特性曲线,只需在上述电路的基础上增加1个开关和运算放大器组成的控制电路,实现阶梯电压和锯齿波的极性反向。此控制电路原理如图8所示。

本文设计的晶体管输出特性曲线测试仪(见图9)作为新开发的电子电路实验平台的一个重要模块,已应用于电子电路实验教学中,常用来判别晶体管的好坏,测定晶体管的电流放大系数B,测量二极管的伏安

(下转第73页)

图9 晶体管输出特性测试仪面板图

丁泽刚,等:SAR自然场景实时回波模拟器的设计与实现

DSP计算一个TPRT回波的时间为10ms。通过系统中8个处理节点的并行和两级流水的搭配,在18ms的流水延迟之后,系统可以实时地按照TPRT间隔输出回波信号。同样的参数,在一个Core2E4600,2GB内存的工作站上每个TPRT的计算时间大约为240ms,由此可见实时模拟器的效率优势。对回波数据采用RD果如图5

所示。

[10]

构和模块组成,并通过点目标和自然场景的实验结果,证实了模拟器的精确性和实时性。本模拟器已经成为SAR实时成像处理机的通用验证平台,并为SAR成像处理算法研究提供快速的数据支持。参考文献(References)

[1]张澄波.综合孔径雷达原理、系统分析与应用[M].北京:科学出版

社,1989.

[2]魏钟铨.合成孔径雷达卫星[M].北京:科学出版社,2001.

[3]袁孝康.星载合成孔径雷达导论[M].北京:国防工业出版社,2003.[4]张直中.机载和星载合成孔径雷达导论[M].北京:电子工业出版

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[7]FranceschettiG,MigliaccioM,RiccioD.SARAS:ASynthetic

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[9]胡善清,刘峰,龙腾.高性能通用并行信号处理模块的设计与实现

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[10]SoumekhM.SyntheticApertureRadarSignalProcessing[M].

NewYork:Wiley,1999.

算法成像,得到的成像结

图5 自然场景成像结果图

4 结论

本文介绍了一种新的SAR自然场景实时回波模拟器,首先阐述了实时回波模拟器使用的仿真模型,然后分析了实现中的关键技术,最后介绍了模拟器的结

(上接第61页)

社,2005.

[4]王辉,张绍忠.晶体三极管输入输出特性曲线测试方法探讨[J].山

西电子技术,2006(1):84-86.

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[10]刘时进,丁么明,周传璘.电子技术基础教程:数字部分[M].武

汉:湖北科学技术出版社,2000.

5 结束语

采用纯模拟电路,设计了一种晶体管输出特性曲线测试仪,对于二极管和场效应管,只需在此电路上稍

加改进,便可实现其特性曲线的测量。该电路作为电子电路实验平台的一个重要模块,已应用于电子电路实验教学。

参考文献(References)

[1]李玲远,田化梅,宋立新.电子技术基础教程:模拟部分[M].武汉:

湖北科学技术出版社,2000.

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[3]高文焕,李冬梅.电子线路基础[M].2版.北京:高等教育出版

范文五：晶体管输出特性曲线测试电路的设计实验报告

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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

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i c=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3 VCC 流iC 的控制作用，同时也反映出

图1 晶体管输出特性曲线

集电极和发射极之间的电压vCE

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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

- 1 -

晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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，作为晶体管时钟源锯齿波发生器阶梯波发生器集电——————————————————————————————————————

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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，作为积极驱动图3 输出特性曲线测试电路工作波形电流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:

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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。

- 2 -

晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

R2VDD

V1D3

矩形脉冲产生电路图

矩形波曲线

- 3 -

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晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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 -

晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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。

阶梯波产生电路

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阶梯波曲线

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晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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。

R24

yjietibo

电压变换电路及全电路

晶体管测试电路输出曲线

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晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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:

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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——————————————————————————————————————

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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

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晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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。

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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——————————————————————————————————————

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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，——————————————————————————————————————

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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

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晶体管晶体管输出特性曲线测试电路的设计

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元件紧贴在面包板上面，另一方面，也不易形成管脚搭在一起等情况。另外，导线该长则长，该短则短，可以使电路显得整齐、有秩，不但利于插线，更有利于调节、更改、检查电路。总之，保持面包板上的有序，不混乱，是非常重要的。我想，或许科学、严谨的作风是应该从每一个细节和小事上面都有体现的。

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