南邮实验简易晶体管特性曲线图示仪.docx
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南邮实验简易晶体管特性曲线图示仪
南邮
简易晶体管特性曲线图示仪
摘要
本文主要介绍了简易晶体管特性图示仪的制作原理，内部结构，工作方式。
同时在制作的过程中介绍了晶体管的输出特性曲线，555、74LS161、74LS00、LM324集成块的内部管脚排列图，它们所能实现的功能，以及它们在电路中所起的作用。
设计中锯齿波是利用555构成的振荡电路来产生的；阶梯波是通过74LS161产生一个计数器来实现的。
555产生一个矩形脉冲来控制161的计数，每当555产生的矩形波处于上升沿的时候就能触发161产生一次计数，161产生的数字信号再经过一个74LS00的反向处理进入到数模转换开关当中，从而控制不同电压的相互叠加，最终来实现8个不同幅值的阶越信号，这就是阶梯波。
把产生的锯齿波和阶梯波接入被测三极管，从被测三极管的发射极与集电极接出两路信号分别接入示波器，再利用李沙育图形就能观测到晶体管的输出特性曲线。
关键词：
锯齿波阶梯波55574LS161
一引言
21世纪是信息的时代，作为信息技术的核心部分，电子科学与技术的发展功不可没，随着国内外电子科学与技术的飞速发展，电子市场已经表现出巨大的潜力，一些公司也越来越多的进入该领域投资，基于这些，如何来生产出电子相关产品抓住市场需求就变的至关重要，晶体管作为该领域的重要器件，对它进行更深的了解也势在必行，晶体管特性曲线图示仪作为研究晶体管输入与输出特性的仪器也越来越体现出它的价值。
晶体管特性图示仪是一种专用示波器,它能直接观察各种晶体管特性曲线及曲性簇。
例如:
晶体管共射、共基和共集三种接法的输入、输出特性及反馈特性;二极管的正向、反向特性;稳压管的稳压或齐纳特性;它可以测量晶体管的击穿电压、饱和电流、自或a参数。
本设计中所做的晶体管特性曲线图示仪是最简单的，能够显示晶体管输出特性曲线的仪器，但在原理上没有本质的区别。
在下面的设计中会一一介绍简易晶体管特性曲线图示仪的内部结构、工作原理和它的制作、调试方法。
二晶体管图示仪的测试原理
晶体管特性图示仪的原理如下：
图2-1晶体管图示仪的内部原理图
描述晶体管特性，要有两种电压，一是加在B极上的阶梯波，用于产生不同的Ib，二是C极上的锯齿波，其周期与阶梯波相对应，以描绘出Ic-Uce特性曲线。
用合适的阶梯电压加至晶体管的基极，在晶体管的基极产生若干级大小不等的基流，晶体管在每级基流作用下，其Uce自小到大扫描一次，并将此电压加到示波的X轴，同时，将晶体管的输出电流信号Ic加到示波管的Y端，从而得到该晶体管的Ic-Uce特性。
利用普通示波器作为显示器件设计一个简易晶体管特性图试仪
基本要求：
该晶体管图示仪能稳定地显示晶体管的如下特性:
小功率NPN晶体管的Ic——Uce特性（共发射极组态）
X轴——Uce
Y轴——Ic
显示特性簇共8条曲线，每条曲线对应的基极电流Ib步进0.28mA
功耗电阻1KΩ
三晶体管的输出特性曲线
晶体管的输出特性曲线图如下：
图3-1晶体管的输出特性曲线
输出特性曲线描述基极电流Ib一常量时，集电极电流Ic与管压降Uce之间的函数关系，即：
Ic=f（Uce）︱IB=常数
对于每一个确定的Ib，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线，如图上面的图所示，对于某一条曲线，当Uce从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强因而Ic也就逐渐增大。
而当Uce增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，Uce再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行与横轴，即Ic几乎仅仅决定于Ib。
从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域（见上图中所标注）：
（1）截止区：
其特征是发射结电压小于开启电压Uon且集电结反向偏置，即对于共射电路Ube≤Uon且Uce＞Ube。
此时Ib=0，而Ic≤Iceo。
小功率硅管的Iceo在1uA以下，锗管的Iceo小于几十微安。
因此在近似分析中可以认为晶体管截止时的Ic≈0。
（2）放大区：
其特征是发射结正向偏置（Ube大于发射结开启电压Uon）且集电结反向偏置，即对于共射电路Ube＞Uon且Uce≥Ube。
此时，Ic几乎仅仅决定于Ib，而与Uce无关，表现出Ic对Ib的控制作用，Ic=（β反）·Ib，△Ic=βIb。
在理想情况下，当Ib按等差变化时，输出特性是一族与横轴平行的等距离直线。
（3）饱和区：
其特征是发射结与集电结均处于正向偏置，即对于共射电路Ube＞Uon且Uce＜Ube。
此时Ic不仅与Ib有关，而且明显随Uce增大而增大，Ic小于Ib。
在实际电路中，若晶体管的Ube增大时，Ib随之增大，但Ic增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和区。
对于小功率管，可以认为当Uce=Ube即Ucb=0时，晶体管处于临界状态，即临界饱和或临界放大状态。
四锯齿波和阶梯波的产生
4.1555的内部结构与工作原理
555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便的构成脉冲产生和整形电路。
4.1.1电路组成
下面给出的是555集成定时器的电路结构图
图4-1555集成定时器的电路结构
（1）基本RS触发器
由两个与非门组成，R是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当R反=0时，使Q=0，
Q反=1。
（2）比较器
C1、C2是两个电压比较器。
比较器有两个输入端，分别标有+号和-号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+＞U-时其输出为高电平U+＜U-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，既输入电阻趋近于无穷大。
（3）分压器三个电阻均为5kΩ的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压，C1的+端U+=2Vcc/3、C2的-端U-=Vcc/3。
如果在电压控制端CO另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压。
工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以旁路高频干扰。
（4）晶体管开关和输出缓冲器
晶体管TD构成开关，其状态受Q反端控制，当Q反为0时TD截止、为1时TD导通。
输出缓冲器就是
接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。
4.1.2基本功能
表4-1555定时器的功能表
UTH
U（TR反）
R反
Uo
TD的状态
X
X
0
UOL
导通
＞2Vcc/3
＞Vcc/3
1
UOL
导通
＜2Vcc/3
＞Vcc/3
1
不变
不变
X
＜Vcc/3
1
UOH
截止
R反=0时Q反=1，输出电压Uo=UOL为低电平，TD饱和导通。
R反=1、UTH＞2Vcc/3，U（TR反）＞Vcc/3时，C1输出低电平，C2输出高电平，Q反=1、Q=0，Uo=UOL、TD的状态饱和导通。
R反=1时，UTH＜2Vcc/3，U（TR反）＞Vcc/3时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此Uo、TD也保持原来状态不变。
R反=1时，UTH＜2Vcc/3，U（TR反）＜Vcc/3时，C1输出高电平，C2输出低电平，Q反=0，Q=1，Uo=UOH，TD截止。
4.274LS161的内部结构与工作原理
图4-274LS161引脚结构图
表4-274LS161的状态表
从上表可以知道74LS161在CR反为低电平时实现异步复位（清零
）功能，即复位不有效时钟信号才能使输出状态Q3Q2Q1Q0等于并行输入预置数D3D2D1D0。
在复位和预置端都为无效电平时，两计数使能端输入使能信号，CTTCTP=1，74161实现模16加法计数功能，
；两计数使能端输入禁止信号，CTTCTP=0，集成计数器实现状态保持功能，
。
在
时，进位输出端CO=1。
4.374LS00的内部结构图
74LS00是一个两输入的与非门，的它的功能结构图如下：
图4-374LS00功能图
4.4LM324的内部结构与功能
图4-5LM324内部运算放大器
图4-6LM324管脚排列图
LM324是四运放集成电路。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用上上图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见上图。
4.5锯齿波的产生方法
4.5.1电路组成
我们这里要用到的是间接反馈型无稳态工作方式。
图4-7用555构成的多谐振荡器
上图中所示是用555定时器构成的多谐振荡器。
RA、RB、C是外接定时元件，定时器TH（6）、TR反
（2）端连接起来接到RB与电容器C的连接点，晶体管集电极（7）接到RA、RB的连接点。
4.5.2工作原理
起始状态接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故Uc=0比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器Q=1，Q反=0，VO=UOH，TD截止
（1）暂稳态Ⅰ
Q=1、Q反=0、Vo=UOH、TD截止，是电路的一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充电、Uc缓慢升高的渐慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是Vcc→R1、R2→C→地，时间常数是τ1=（R1+R2）·C
（2）自动翻转Ⅰ
当电容C充电，Uc上升到2Vcc/3时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0、Q反=1、VO=UOH、TD饱和导通。
（3）暂稳态Ⅱ
Q=0、Q反=1、VO=UOH、TD饱和导通，是电路的另一种暂稳状态，因为在这种状态下，同样有一个电容C放电、Uc缓慢下降的渐变过程在进行着，放电回路是C→R2→TD→地，时间常数是τ2=R2·C（忽略TD饱和导通电阻Rces）。
（4）自动翻转Ⅱ当电容C放电，Uc下降到Vcc/3时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到
（1）状态，Q=1、Q反=0、Vo=UOH、TD截止，即暂稳态Ⅰ。
在暂稳态Ⅰ，电容C又充电，Uc再上升……，接通电源之后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转——振荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲。
接到示波器上就能显示出矩形波了，现在我们再在555的3脚输出端接一个合适的电阻（设计中电阻值是0.1KΩ），再接一个0.01uF的电容，这样电容器就会对555的3脚输出的脉冲来进行连续的充、放电，此时我们把示波器接到0.01uF的电容器与电阻之间就能显示出一个锯齿波。
波形如下：
图4-8555产生的锯齿波
上面图中锯齿波的周期：
0.33mS频率：
3KHz幅值：
3V
4.6阶梯波的产生方法
4.1.174LS161的计数原理
本设计中最复杂也是最重要的部分是阶梯波的产生。
设计中是利用74LS161的计数功能来设计实现的，同时用到了555产生的矩形脉冲，74LS00的反向计数功能，3个三极管组成的数模转换开关，LM324内部放大器，下面来重点介绍阶梯波的产生。
利用所学的74LS161知识可以知道它能实现计数功能，74LS161的Q0，Q1，Q2，Q3能够实现16进制的计数，但是设计中只用到了Q0，Q1，Q2三位来实现8进制计数，对应数字信号分别为：
000，001，010，011，100，101，110，111，每个计数周期有8次计数，这样数字信号通过数模转换开关就能控制8次不同电压的相互叠加，最终产生一个8阶的阶梯波。
本设计是通过555集成块产生的矩形波来实现对74LS161的计数控制的。
把另一个555集成块1脚与2脚之间接一个0.022uF的电容，1脚再接地，2脚通过一个8.2KΩ的电阻接到7脚，2脚再与6脚相连，4脚接到+6V的电源电压，5脚通过一个0.01uF的电容接地，7脚和8脚之间再接上一个16.4KΩ的电阻，8脚接到高电平即+6V的电源电压。
这样一个产生矩形波的555的振荡电路就完成了。
把555的3脚输出接到74LS161的2脚输入CP端，这样555振荡电路产生的矩形波就输入到74LS161里面来实现对它的计数控制。
应用所学的关于74LS161的知识可以知道，每当555产生的矩形波处于上升沿的时候74LS161就完成一次计数。
现在从000开始计数，当555产生的矩形脉冲处于上升沿的时候就能触发161完成一次计数，而当矩形波处于下降沿的时候不能触发161进行计数，直到矩形波下次处于上升沿的时候才能再次触发161完成一次计数，现在161的数字信号就变成001；当555产生的矩形波再次处于上升沿的时候就能再次触发161完成一次计数，这样161的数字信号就变成010，依此类推，161的数字信号变化依次为：
000，001，010，011，100，101，110，111。
当矩形波再次触发161计数时，74LS161的Q3变为1，信号经过74LS00变为0，再输入到161的1脚引起161清零，数字信号又回到000状态重新计数，这样就完成了8次计数的一个周期。
如果分别单接74LS161的14脚（Q0）时其实就是一个数字信号仅为0和1的两次计数为一个周期的二进制计数。
同理，我们只接14脚（Q0）和13脚（Q1）时，就变成了数字信号分别为00，01，10，11四次计数为一个周期。
此时，分别把示波器接到161的14脚，13脚，12脚观察到的波形正好是幅值相当，周期依次翻倍的矩形波信号。
波形如下：
图4-9CP、Q0、Q1、Q2对比时序图
上图中Q0的周期为0.625mA频率为16KHz幅值为4.5V；Q1的周期为1.25mS频率为8KHz幅值为4.5V；Q2的周期为2.5mS频率4KHz幅值为4.5V。
4.1.2数模转换开关
要实现数字信号对不同电压的不同组合叠加的控制比较复杂，这里就涉及到了数字信号与模拟信号之间的转化。
这里是利用2个9013和1个9012三极管组合成的数模转换的模拟开关来实现的，下面介绍模拟开关的组成。
数模转换开关的结构图如下：
图4-10模数转换开关结构图
如上图，用Di表示输入数字的信号，进入的信号经过一个56KΩ的电阻接到一个9013的三极管T1的基极，T1的集电极经过一个5KΩ的电阻接到+6V的电源上，发射极一端接一个0.1KΩ的电阻接到-10V的电压上，另一端经过一个二极管接地，在T1的基极接一个910KΩ的电阻再接到-10V的电压上。
T1的发射极接另一个9013的三极管T3的基极，T3的集电极用来接不同的电压。
T3的发射极接到一个9012的三极管的发射极，T3的基极和T2的基极直接接一个1KΩ的电阻，T3的集电极接地。
这样从T2和T3的发射极输出的脉冲信号经过3组模拟开关叠加就能形成脉冲阶越变化的阶梯波。
整个数模转换开关电路的任务也就完成了。
这就是数模转换开关的组成。
只有1组数模转换开关还无法完成三位的数字信号向模拟信号的转变，这样就需要3组同样的模数转换开关，将它们分别用TⅠ、TⅡ、TⅢ表示，将它们的Di接到数字信号，这样就能完成三位的数字信号向模拟信号的转变。
要想知道模拟开关的工作原理首先要了解三极管是如何导通的，电路中用到的9013三极管是在数字逻辑状态为0的时候T3是饱和导通的，而当数字逻辑状态为1的时候T3是不能导通的。
当Di为0（低电平）时，输入低电平Vil和负电源（-Vcc）共同作用，使T1基极电位Vb1小于发射极电位VE1（=-Vd），T1截止。
正电源（VCC）经R3使T3饱和导通，T2因无基极电流而截止。
忽略T3管饱和压降，输出电压为VREF，即Si接VREF，当Di=1（高电平）时，输入高电平VIH使VB1大于VE1，适当的R1、R2可使T1饱和导通，-VD为T1提供基极电流并使T2饱和导通，T3截止。
忽略T3饱和压降，输出0V，即Si接地。
下面是分别测量出T1，T2，T3的基极，发射极，集电极的电压。
当Di=4.8VVREF=4.8V时：
Vb1=-0.16VVe1=-0.82VVc1=-0.8VVb3=-0.8VVe3=0VVc3=4.8VVb2=-0.65VVe2=0VVc2=0V
当Di=0.2VVREF=4.8V时：
Vb1=-0.25VVe1=-0.82VVc1=5.39VVb3=5.39VVe3=4.8VVc3=4.8VVb2=5.39VVe2=4.8VVc2=0V
这样就能够实现数字信号控制模拟信号了。
4.1.3电压叠加产生阶梯信号
为了向模拟开关输入不同的电压，本设计采用8个二极管来产生不同幅值的固定电压值。
将8个相同的二极管依次串联起来，负极接地，正极接到+6V的电源电压，从接地端起隔2个二极管接出一条线（设此接点为C）接到（TⅢ）2的集电极，再从接地端起隔4个二极管接出一条线（设此接点为B）接到（TⅡ）2的集电极，8个串联二极管的正极接到（TⅠ）2的集电极（设此接点为A），这样3组模拟开关分别对应数字信号的3位数字。
将三组模拟开关中的三个T2的集电极分别接一个10K的电阻，再将这3个电阻并接到一起接入到LM324的2脚反向输入端。
当数字信号为000时，三组开关都是导通的，这样从三组开关中得到电压值就是A、B、C三点的电压的叠加，其值为6V+3V+1.5V=10.5V。
当数字信号为001时T
（1），T
（2）是导通的T（3）不导通，此时的电压值为6V+3V=9V。
当数字信号为010时，T
（1），T（3）是导通的，次时的电压为6V+1.5V=7.5V。
当数字信号为011时，T
（1）导通，电压值为6V，依次可以得到数字信号为100时电压4.5V，101时电压3V，110时电压1.5V，111时电压为0。
这样得到的是一组下降的阶梯波，为了最终得到一组正的上升的阶梯波，就需要把161产生的计数信号经过一个74LS00并反向输入。
4.1.474LS00对信号的反向处理
本设计中是把74LS161的14脚，13脚，12脚，11脚分别接到74LS00的1脚，5脚，9脚，12脚。
数字信号经过74LS00的反向处理再分别接入到3组模拟开关，来实现对模拟信号的处理。
当161的数字信号为000时，经过74LS00反向处理后进入模拟开关的信号变为111；当161为001时，经过00反向处理后进入模拟开关的信号变为110；依次可以推出进入模拟开关的信号为111，110，101，100，011，010，001，000，正好得到负的依次下降的阶梯波。
用示波器可以测出LM324的1脚输出波形如下图：
图4-11LM3241脚输出的波形
上面图中的阶梯波周期：
2.5mS频率：
400Hz幅值：
3.2V
现在由于得到的阶梯波是负的，还需要再接一个运算放大器并从它的反向输入，这样从LM324的7脚输出得到的阶梯波才能成为正的。
在LM324的1脚与2脚之间接一个4KΩ的电阻，6脚与7脚之间接一个5KΩ的电阻，再把从第一个运放的输出脚1脚接一个10KΩ的电阻再接到另一个运算放大器的反向输入端6脚，从7脚输出引出的信号就是设计中所需要的——正向上升的阶梯波。
4.1.5阶梯波的形成与输出波形
用示波器测出LM324的7脚输出波形如下图：
图4-12LM324的7脚输出波形
上面经过LM324的7脚输出阶梯波周期：
2.5mS频率：
400Hz幅值：
1.6V
五李沙育图形观测法
“李沙育图形”又称波形合成法,就是将被测频率的信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的Y轴输入端和X轴输入端,在示波器荧光屏上将出现一个合成图形,这个图形就是李沙育图形。
李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同,所呈现的波形也不同。
假定Y轴输入信号的频率是X轴输入标准信号频率的两倍,幅度相等,且是同时通过零点的正弦波,其李沙育图形如下图所示：
图5-1频率比为2初相角为零李沙育图形
示波器的李沙育图形,广泛应用于频率和相位的测量。
这种测量法不仅提供了示波器频率及相位测量方法,而且揭示了所有测试仪器的测试理论基础。
正确认识示波器的李沙育图形,不仅能帮助掌握用示波器测频和测相位差的方法,而且能对其它所有基于示波测试原理的仪器的学习,打下良好的理论基础。
因此,要充分认识到李沙育图形观测法的重要意义。
六三极管的接入与测试
把连接好的电路接入一个9013的三极管就能测试它的输出特性曲线了。
本设计中完成的简易晶体管特性曲线图示仪内部结构图如下：
图6-1简易晶体管特性曲线图示仪的内部结构图
将一个9013的被测三极管的基极接一个22.6KΩ的电阻再接到LM324的7脚输出端，再将它的集电极通过一个0.1KΩ的电阻接到产生锯齿波的555集成块的3脚输出端（555的3脚输出要先接一个1KΩ的电阻再与被测三极管的集电极相连），这样把示波器的X轴，Y轴分别接到被测三极管的集电极和发射极。
示波器的X轴上会显示出一个稍显失真的锯齿波，Y轴上会显示一个8阶的阶梯波，把示波器的TIME/DIV旋转档打到X—Y档上利用李沙育图形法就能观测到三极管的输出特性曲线。
七晶体管特性图试仪的调试
把示波器接到连接好的简易晶体管特性图示仪上面显示出的被测三极管的输出特性曲线。
但是由于设计的电路本身不是很完善，电路中的元件不够精确等种种原因会出现波形的失真。
造成所观测到的波形图与理想晶体管的输出特性曲线图有一定的差别，这就需要我们去仔细测量电路中所用到的元件的实际值，并选择合适的电阻，电容来进行替换原电路当中的元件，直到示波器所显示的图形接近理想的晶体管输出特性曲线图为止。
经过调试观测到的三极管输出特性曲线图与理想的三极管输出特性曲线图如下：
图7-1实际观测到的晶体管特性曲线
图7-2理想的晶体管输出特性曲线
参考文献
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附录
LM324的额定参数与特性：
最大额定值（Tamb=25℃）
参数名称
符号
数值
单位
最小
最大
电源电压
Vcc
32
V
差模输入电压
VID
32
V
输入电压
VI
-0.3
32
V
功耗
PD
720
mW
工作环境温度
TOPR
-30
85
℃
贮存温度
TSTG
-55
125
℃
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