【2017年整理】晶体管开关特性、限幅器与钳位器

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1、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 21 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2VR维持一段时间 ts（称为存贮时间）后，电流才开始减小，

2、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 trrt st f 叫做反向恢复时间，t rr 与二极管的结构有关，PN 结面积小，结电容小，存贮电荷就少，t s 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 22 电路的输入端，施加一个足够幅度（在-V 2 和+V 1 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

3、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 0.9IC

4、S 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 23 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，R b1 相当于被短路，Vi 几乎全部加到基极上，使 T 迅速进入饱和，t d 和 tr 大大缩短。当 Vi

5、负跃变时，R b1 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。C b 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，V o逐渐上升。因为 VCCE C，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

6、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 24 接线，E 为偏置电压（02V 可调） 输入信号 vi 为频率 f100KHz、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

7、号 vO 的波形，并读出存贮时间 tS 和下降时间 tf 的值。 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 25 接线，输入 vi 为 100kHz 方波信号，晶体管选用 9013。 将 B 点接至负电源E b，使E b 在 04V 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。 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

8、 三极管开关特性实验电路 图 2-6 二极管限幅器去掉 Cb，在输出端接入负载电容 CL30PF ，观察并记录输出波形的变化情况。 在 输 出 端 再 并 接 一 负 载 电 阻 RL 1K， 观 察 并 记 录 输 出 波 形 的 变 化 情 况 。 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 26 接线，输入 vi 为 f 10KHz，V P-P4V 的正弦波信号，令E2V ，1V，0V，1V，观察输出波形 vO，并列表记录。（4）二极管箝位器按图 27 接线，v i 为 f10KHz 的方波信号，令 E1V、0V、1V、3V、观察输出波形，并列

9、表记录。（5）三极管限幅器按图 28 接线，v i 为正弦波 ，f10KHz，V P-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+3V3V 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

10、么变化？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 11K 档使用内部的 1.5V电池，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。

11、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：I B10A ，VCC2.8V 。（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。 使用指

12、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 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 10K。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

13、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 2-9 万用表 档A. A. D图 2-10 测量二极管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 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 10K 档。如果使用 1

14、K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。 区分三极管的基极 b：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

15、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。 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，图 2-11 晶体三极管内部 PN 结结构e b cN P NebcaNPN .ce bP N PebcbPNP