晶體管特性圖示儀的工作原理


下面以使用本儀器測(cè)試“晶體二極管伏安特性”和“晶體三極管輸出特性”為例，介紹儀器的工作原理。


1、二極管伏安特性的測(cè)試原理


流過(guò)二極管的電流I與二極管兩端電壓U的函數(shù)關(guān)系稱為“二極管伏安特性”。本儀器通過(guò)顯示“伏安特性曲線”來(lái)定量顯示被測(cè)二極管的“伏安特性”。由二極管伏安特性曲線（正向區(qū)）可知，當(dāng)我們將二極管兩端的電壓U由0逐漸增大時(shí)，二極管中的電流I會(huì)按照“二極管方程”的規(guī)律逐漸增大。


二極管方程式中：在環(huán)境溫度為300K時(shí)，UT≈26mV 。


將這一過(guò)程重復(fù)進(jìn)行稱為“電壓掃描”。根據(jù)特性曲線所在的象限，用本儀器“X軸作用”和“Y軸作用”的“移位”旋鈕調(diào)整掃描的原點(diǎn)在示波器屏幕的左下角或右上角。當(dāng)測(cè)量二極管正向特性曲線時(shí)，由于曲線位于第一象限，所以應(yīng)將原點(diǎn)調(diào)整至屏幕左下角。（而反向特性曲線位于第三象限，應(yīng)將原點(diǎn)調(diào)整至右上角，并將掃描電壓極性選擇為“－”。）二極管兩端的電壓U的值經(jīng)“X軸放大器”放大后，控制示波器光點(diǎn)在X軸方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電壓由0逐漸增大時(shí)，光點(diǎn)從最左邊的原點(diǎn)處向右水平移動(dòng)，光跡的長(zhǎng)度與電壓值成正比。同時(shí)，用流過(guò)二極管的電流I的值（需變換成電壓）經(jīng)“Y軸放大器”放大后，來(lái)控制示波器光點(diǎn)在Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電流由0 逐漸增大時(shí)，光點(diǎn)由最下邊的原點(diǎn)處向上垂直運(yùn)動(dòng)，光跡的長(zhǎng)度與電流成正比。兩者的共同作用就會(huì)使示波器的光點(diǎn)在在屏面上顯示出二極管的伏安特性曲線，并可根據(jù)示波管上的刻度定量讀出電壓、電流的數(shù)據(jù)。


測(cè)試二極管伏安特性曲線時(shí)，儀器工作原理如圖1所示。



二極管測(cè)試電路原理


（1）將“測(cè)試選擇”開(kāi)關(guān)扳向中間（“關(guān)”），被測(cè)二極管插入測(cè)試臺(tái)左側(cè)“E”和“C”插孔中，這時(shí)二極管沒(méi)有加電；當(dāng)其它選項(xiàng)調(diào)節(jié)好后，再將“測(cè)試選擇”扳向“晶體管A”側(cè)，進(jìn)行加電測(cè)量。


（2）測(cè)試二極管時(shí)，基極“階梯信號(hào)”不起作用。加在被測(cè)二極管上的電壓由“集電極掃描信號(hào)”單元提供。


“集電極掃描信號(hào)”單元輸出的是頻率為100Hz的脈動(dòng)直流電壓，波形如 的正電壓或  的負(fù)電壓，由“極性”旋鈕控制，可選“＋”或“－”；電壓的峰值由“峰值電壓范圍”選擇，可選“0～20伏”或“0～200伏”，再由“峰值電壓”旋鈕細(xì)調(diào)，可產(chǎn)生上述范圍之間的任意值。注意：測(cè)量半導(dǎo)體器件一般選擇“0～20”，而“0～200”用來(lái)測(cè)試器件的反向擊穿電壓。“功耗限制電阻”串連在電路中起保護(hù)作用，避免過(guò)大電流流過(guò)被測(cè)管。


測(cè)量二極管時(shí)，調(diào)節(jié)JT-1的“集電極掃描單元”的控制旋鈕，使“極性”為“＋”，“峰值電壓范圍”為“0～20V”，“峰值電壓”先旋為“0”，正式測(cè)量時(shí)加大到所需值。 “功耗限制電阻”在測(cè)量大電流二極管時(shí)可選幾Ω或幾十Ω，小電流管可選幾十Ω至幾KΩ。


（3）“X軸作用”用來(lái)選擇X軸放大器的測(cè)量對(duì)象和X軸放大器放大倍數(shù)，當(dāng)扳至“集電極電壓”0.1“伏∕度”時(shí)，輸入的測(cè)量對(duì)象是測(cè)試臺(tái)“C”、“E”之間的電壓--即二極管兩端的電壓值U，X軸方向每格代表0.1伏。


（4）“Y軸作用”用來(lái)選擇Y軸放大器的測(cè)量對(duì)象和Y軸放大器的放大倍數(shù)，當(dāng)扳至“集電極電流”1“毫安∕度”，輸入的測(cè)量對(duì)象是“電流采樣電阻”兩端的電壓值--與流過(guò)二極管的電流值對(duì)應(yīng)，Y軸方向每格代表1毫安。“電流采樣電阻”的作用是將集電極電流I轉(zhuǎn)換為示波器所需的電壓值。


（5）如上所述設(shè)置好測(cè)量條件后，將測(cè)試臺(tái)的“測(cè)試選擇”開(kāi)關(guān)扳向“晶體管A”側(cè)，并將峰值電壓由0逐漸加大，便可觀測(cè)到二極管的伏安特性曲線的正向區(qū)；如果要觀察二極管的反向區(qū)曲線，可將二極管反插或?qū)?ldquo;集電極掃描信號(hào)”的“極性”扳向“－”。并將掃描原點(diǎn)移至右上角。


2、三極管輸出特性測(cè)量


用圖3所示的“三極管輸出特性曲線”可描述出三極管的集電極輸出特性。由三極管的輸出特性曲線可以測(cè)得三極管的電流放大倍數(shù)β、飽和壓降UCES 、集電極輸出電阻rce 和集電極擊穿電壓BVCE0 ，因此是十分有用的。


在測(cè)試三極管輸出特性時(shí)，首先要保持被測(cè)三極管的基極電流IB為某個(gè)固定不變的值（例如20μA），以集電極電壓UCE作為變量，從0逐漸增大，逐點(diǎn)記錄集電極電流IC的值，繪出UCE和IC關(guān)系曲線，得到在此IB條件下（本例IB=20μA）的一條輸出特性曲線；然后，改變IB的值，重復(fù)以上的操作可繪出另一IB條件下的輸出特性曲線。由于UCE-IC曲線是以IB為條件繪出的，所以IB被稱為“參變量”。



三極管輸出特性曲線


在本儀器中，上述測(cè)量步驟是連續(xù)、重復(fù)進(jìn)行的，輸入基極的電流IB是一種階梯形掃描電流，波形如圖3.6.5所示，由0開(kāi)始，以某個(gè)固定值（例如10μA，儀器標(biāo)志為：“0.01mA∕級(jí)”）逐級(jí)增大，圖中每族曲線為4級(jí)。以每一級(jí)IB為參變量繪一條輸出特性曲線（對(duì)應(yīng)每級(jí)IB，集電極電壓掃描一次），這樣將會(huì)得到以IB為“參變量”的輸出特性曲線族（實(shí)際上所謂的“輸出特性曲線”都是指輸出特性曲線族）。將集電極電壓UCE輸入X軸放大器放大后，控制示波管的水平掃描；將集電極電流IC經(jīng)取樣電阻變換為電壓后，送Y軸放大器，控制示波管的垂直掃描，便可在示波管屏面上產(chǎn)生“輸出特性曲線”。根據(jù)示波管屏面的方格，可以定量測(cè)得三極管的有關(guān)參數(shù)。



基極階梯信號(hào)


用JT-1測(cè)試晶體管輸出特性曲線時(shí)，工作原理見(jiàn)圖2。


（1）“測(cè)試選擇”位于“關(guān)”，將被測(cè)三極管插入測(cè)試臺(tái)左邊插座，三極管的管腳要插正確。


以下為設(shè)置測(cè)試條件，根據(jù)測(cè)試要求設(shè)置。


（2）“集電極掃描信號(hào)”：


“峰值電壓范圍”選“0～20V”；

“極性”選“＋”；

“功耗限制電阻”位于“500”；

“峰值電壓”位于0，測(cè)試時(shí)，再逐漸加大至所需值。


（3）“基極階梯信號(hào)”：


“極性”選“＋”；

“階梯作用”選“重復(fù)”；

“級(jí)∕秒”選“200”；

“階梯選擇”的“mA∕級(jí)”選0.01（即輸出為階梯電流，每級(jí)階梯為10μA）；

“級(jí)∕族”用來(lái)設(shè)置一族曲線的條數(shù)，即階梯電流的級(jí)數(shù)，一般可根據(jù)顯示的穩(wěn)定情況，選4～10級(jí)，級(jí)數(shù)較大會(huì)造成顯示閃動(dòng)，觀察不方便。


以下為波形的顯示設(shè)置，相當(dāng)與設(shè)置示波器的“量程范圍”。如果設(shè)置不當(dāng)，可能造成波形顯示不全或顯示太小。應(yīng)根據(jù)波形顯示的情況設(shè)置。


（4）“Y軸作用”


“mA∕度”置于“集電極電流”，“毫安-伏∕度”為1，表示Y軸的測(cè)試對(duì)象是“集電極電流”，量程是每度（1方格）代表1mA。在測(cè)試時(shí)，如果顯示的波形超出屏幕范圍，應(yīng)增大該值。


（5）“X軸作用”


“伏∕度”置于“集電極電壓”，1。表示測(cè)試的對(duì)象是集電極電壓，量程是每度1伏。在測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)顯示情況調(diào)節(jié)。例如測(cè)量“飽和壓降”UCES時(shí)，應(yīng)旋至0.1V ，而測(cè)試“擊穿電壓”BVCE0時(shí)，應(yīng)置于10或20V ，這樣才能測(cè)試準(zhǔn)確。


圖3是測(cè)試所得的“三極管輸出特性曲線”示意圖。圖中的虛線方格就是儀器示波管屏面的方格。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，同時(shí)表示出“飽和壓降”UCES和“集電結(jié)反向擊穿電壓”BUCE0 ， X軸的量程的設(shè)置：左邊為1度∕伏，右邊為10度∕伏，真正測(cè)試時(shí)，不可能同時(shí)得到這種結(jié)果，請(qǐng)明確。而且，UCE和IC兩個(gè)“座標(biāo)軸”也不會(huì)顯示在屏幕上，應(yīng)在記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，由測(cè)試者對(duì)應(yīng)方格添畫上。由圖3.6.4可以得到如下的參數(shù)：


共射直流電流放大系數(shù)β：測(cè)試條件為IC = 4mA，UCE = 3V。由曲線圖上找到IC = 4mA時(shí)，對(duì)應(yīng)曲線IB = 40μA。所以，；


共射交流電流放大系數(shù)：測(cè)試條件為IC = 4mA，UCE = 3V。由曲線圖上找到在IC = 4mA附近的是IC = 3mA，對(duì)應(yīng)曲線IB = 30μA。所以：＝ΔIC∕ΔIB＝（4－3）mA∕（40－30）μA＝100；


飽和壓降UCES ：UCES≈1V ；


基極開(kāi)路時(shí)，集電極、發(fā)射極間的擊穿電壓BUCE0 ：“基極階梯信號(hào)”扳向“零電流”逐漸增加集電極掃描峰值電壓，至特性曲線劇增為止。擊穿處的UCE就是BUCE0 。本例中BUCE0 ≈ 63V


晶體管特性圖示儀的注意事項(xiàng)：


1、避免過(guò)冷和過(guò)熱,儀器工作溫度為 0~40℃；


2、避免炎熱與寒冷環(huán)境的交替；


3、避免濕度,水份和灰塵,最佳使用相對(duì)濕度范圍是 35~90[%]；


4、避免重物壓置,撞擊,倒置；


5、面板的測(cè)試插孔要避免電源或有電信號(hào)輸入。

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