实习四截波电路与箝位电路.docx

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实习四截波电路与箝位电路

電路模擬實習二電晶體之V-I特性曲線模擬

學習目標

1.能藉由電路模擬來瞭解電晶體的V-I特性曲線。

2.能藉由電路模擬來瞭解溫度對電晶體特性的影響。

1、相關知識

2-1電晶體的結構與符號

利用P型半導體與N型半導體，除了可以構成PN接面二極體外，還可以製造出另一個雙接面的元件，這就是雙極性接面電晶體（BipolarJunctionTransistor；簡稱BJT）。

雙極性接面電晶體一般簡稱電晶體，依其結構可分為NPN型電晶體與PNP型電晶體。

NPN型電晶體是由兩層較厚的N型半導體夾著一層很薄的P型半導體所組成，如圖2-1所示為NPN型電晶體的結構與符號；相反的，PNP型電晶體則是由兩層較厚的P型半導體夾著一層很薄的N型半導體所組成，如圖2-2所示為PNP型電晶體的結構與符號。

電晶體有三個接腳，分別是射極（Emitter；簡稱E）、基極（Base；簡稱B）與集極（Collector；簡稱C）。

（a）結構（b）電路符號

圖2-1　NPN型電晶體

（a）結構（b）電路符號

圖2-2　PNP型電晶體

2-2電晶體的工作原理

電晶體有兩個接面，分別是基－射極（B-E）接面（簡稱射極接面）與集－基極（C-B）接面（簡稱集極接面），根據PN接面所施加的偏壓（順向偏壓與逆向偏壓），我們可以將電晶體的工作區域分為下列三種情形，如表2-1所示。

表2-1電晶體的工作區域

項目

基-射極（B-E）接面

集-基極（C-B）接面

主要功用

飽和區

（saturation）

順向偏壓

順向偏壓

開關電路（ON）

主動區

（active）

順向偏壓

逆向偏壓

放大信號

截止區

（cutoff）

逆向偏壓

逆向偏壓

開關電路（OFF）

NPN型電晶體與PNP型電晶體的工作原理相似，只是電壓、電流方向相反，現在我們將以NPN型電晶體為例，說明電晶體的工作原理。

一、電晶體IE、IB與IC的關係

一般來說，電晶體欲作為放大器使用必須工作在主動區，即基－射極（B-E）接面為順向偏壓，而集－基極（C-B）接面為逆向偏壓的，如圖2-3所示。

圖2-3NPN型電晶體的偏壓

由於基－射極接面為順向偏壓，所以射極（N型）的多數載子（電子）受到VBE的正電壓吸引，越過射極接面往基極（P型）移動，但因基極很薄且雜質的摻雜濃度很低，所以只有極少數的電子會與基極的多數載子（電洞）結合，形成基極電子流IB，如圖2-4所示。

圖2-4　主動區偏壓的IB電子流

從射極發射出來的電子，除了極少數電子與基極的電洞結合形成基極電子流IB外，其餘絕大部分的電子受到集－基極（C-B）接面逆向偏壓VCB的正電壓吸引，會越過集極接面，形成集極電子流IC，如圖2-5所示。

圖2-5　主動區偏壓的IE、IB與IC電子流

因此我們可以看出三極之間電子流的關係為

【2-1】

其中為射極的電子流、為基極的電子流

為集極的電子流

因為電流的方向恰好與電子流的方向相反，如圖2-6所示。

所以若是以電流的角度來看，公式【2-1】也是成立。

圖2-6　主動區偏壓的電流方向

二、電流增益、與

利用電晶體的電流關係，我們定義了電晶體的一些重要的電氣特性參數，其中最重要的就是電流增益、與。

1.電流增益

是集極電流IC與射極電流IE的比值，其定義如下：

　【2-2】

一般而言，的值會略小於1。

2.電流增益

是集極電流IC與基極電流IB的比值，又稱為hFE，其定義如下：

　【2-3】

一般而言，的值介於10～300之間。

3.電流增益

是射極電流IE與基極電流IB的比值，其定義如下：

　【2-4】

三、、與的關係

一般在設計電路或分析電路時常常會用到（hFE）值，所以在電晶體的規格表中均可以查到（hFE）值的大小。

但有時候會需要使用到與值，所以這裡推導出、與之間的關係。

1.與的關係

【2-5】

2.與的關係

【2-6】

3.與的關係

【2-7】

圖2-7所示是電晶體的輸出特性曲線，在特性曲線中我們發現每一條曲線皆表示當輸入電流IB為定值時，集極電流IC與集－射極電壓VCE之間的關係，將來在實習單元六中也可以利用此輸出特性曲線來找出電晶體的工作點（集－射極電壓VCE與集極電流IC的值），這對於設計電晶體放大電路的偏壓將有極大的幫助。

圖2-7　電晶體的輸出特性曲線

2-3判別電晶體的類型與好壞

一、判別電晶體的類型（NPN型或PNP型）

步驟1　將三用電表撥至，並作歸零調整。

步驟2　任選電晶體的兩個接腳，將測試棒接觸此兩個接腳，使三用電表指針大幅偏轉，此時這兩個接腳中必有一個接腳為基極。

步驟3　將任一個測試棒移至空接的接腳，此時若三用電表指針仍然大幅偏轉，表示電晶體B-E接面與B-C接面皆為順向偏壓，則測試棒未移動的那隻接腳即為基極（B），如圖2-8（a）所示。

反之，如果將測試棒移至空接的接腳時，若三用電表指針未偏轉，則測試棒移動的那隻接腳即為基極（B），如圖2-8（b）所示。

（a）（b）

圖2-8電晶體基極（B）的判別方式

步驟4　若接觸基極（B）的測試棒為黑色，則此電晶體為NPN型，如圖2-9（a）所示，反之，接觸基極（B）的測試棒為紅色，則此電晶體為PNP型，如圖2-9（b）所示。

（a）NPN型（b）PNP型

圖2-9電晶體類型的判別方式

二、判別電晶體的好壞

因為電晶體B-E接面與B-C接面皆為PN接面二極體，所以用三用電表測量B、E接腳或B、C接腳時，均順向導通、逆向不通（如同二極體的特性），表示電晶體是良好的。

反之，若順向、逆向皆導通，或順向、逆向皆不導通，則表示電晶體是損壞的。

2-4判別電晶體的E、B、C接腳

根據2-3節說明先判別電晶體的類型（NPN型或PNP型）與好壞，並找出電晶體的基極（B）接腳。

再將三用電表撥至，並作歸零調整。

　　一、NPN型電晶體

步驟1　先自行假設集極（C）與射極（E）接腳後，如圖2-10所示。

將三用電表黑棒接於假設的集極（C），紅棒接於假設的射極（E）後，以手指當作電阻接於基極（B）與集極（C）之間，再記錄LI的刻度值。

圖2-10C、E接腳假設正確（NPN型）

步驟2　再將先前假設的集極（C）與射極（E）接腳對調後，如圖2-11所示。

將三用電表黑棒接於假設的集極（C），紅棒接於假設的射極（E）後，以手指當作電阻接於基極（B）與集極（C）之間，再記錄LI的刻度值。

圖2-11C、E接腳假設錯誤（NPN型）

步驟3　比較步驟1與步驟2的LI刻度值，較大者為假設正確。

　　二、PNP型電晶體

步驟1　先自行假設集極（C）與射極（E）接腳後，如圖2-12所示。

將三用電表黑棒接於假設的射極（E），紅棒接於假設的集極（C）後，以手指當作電阻接於基極（B）與集極（C）之間，再記錄LI的刻度值。

圖2-12C、E接腳假設正確（PNP型）

步驟2　再將先前假設的集極（C）與射極（E）接腳對調後，如圖2-13所示。

將三用電表黑棒接於假設的射極（E），紅棒接於假設的集極（C）後，以手指當作電阻接於基極（B）與集極（C）之間，再記錄LI的刻度值。

圖2-13C、E接腳假設錯誤（PNP型）

步驟3　比較步驟1與步驟2的LI刻度值，較大者為假設正確。

2、實習技能

實習項目一以電路模擬來瞭解電晶體的V-I特性曲線

步驟1：

依照圖2-14完成電路，IS1為電流源（CurrentSources），VG1為電壓產生器（VoltageGenerator），AM1為電流表（AmpereMeter），T1為電晶體2N2222A（NPNTransistor）。

圖2-14

步驟2：

執行Analysis-->ControlObject-->點選IS1電流源，將出現圖2-15之對話盒，按Select鍵設定IB電流範圍。

圖2-15

IB電流範圍：

如圖2-16之對話盒，請在Startvalue填入起始值0mA，在Endvalue填入終止值50mA，在Numberofpoints填入插入點數6，輸入完成後按OK鍵。

圖2-16

步驟3：

執行Analysis-->DCAnalysis-->DCTransferCharacteristic直流轉移特性分析，將出現圖2-17之對話盒。

圖2-17

電晶體VCE電壓：

請在Startvalue填入起始值0V，在Endvalue填入終止值20V，在Numberofpoints填入插入點數501，輸入完成後按OK鍵執行分析。

步驟4：

執行分析後將得到圖2-18之電晶體的V-I特性曲線。

圖2-18

步驟5：

將電流刻度調整到適當的位置，可得到圖2-19之電晶體的V-I特性曲線，請將電晶體直流特性的結果依序量測後填入表2-2。

圖2-19

表2-2電晶體電流值

0.1V

0.2V

0.3V

0.5V

1V

2V

5V

10V

15V

20V

步驟6：

點選IS1電流源（CurrentSources），將出現圖2-20之對話盒，請在Current欄位填入10uA後按OK鍵，完成IB電流設定。

圖2-20

步驟7：

執行Analysis-->ControlObject-->點選IS1電流源，按Select鍵，會出現圖2-21之對話盒，按Remove鍵將掃描IB電流取消。

圖2-21

步驟8：

執行Analysis-->ControlObject-->點選電晶體，將出現圖1-22之對話盒，按Select鍵設定溫度範圍。

圖2-22

電晶體溫度特性：

如圖2-23之對話盒，請在Startvalue填入起始值0度，在Endvalue填入終止值100度，在Numberofpoints填入插入點數3，輸入完成後按OK鍵。

圖2-23

步驟9：

執行Analysis-->DCAnalysis-->DCTransferCharacteristic直流轉移特性分析。

將出現圖2-24之對話盒。

圖2-24

電晶體VCE電壓：

請在Startvalue填入起始值0V，在Endvalue填入終止值20V，在Numberofpoints填入插入點數501，輸入完成後按OK鍵執行分析。

步驟10：

執行分析後，並調整電流刻度到適當的位置，將得到圖2-25之電晶體溫度的V-I特性曲線請將二極體溫度特性的結果依序量測後填入表2-3。

。

圖2-25

表2-2溫度對電晶體電流值

5V

10V

15V

20V

T=0℃

T=50℃

T=100℃