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实验晶体管开关特性

实验一 晶体管开关特性、限幅器与钳位器

一、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。

二、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1-1电路,输入端施加一方波激励信号v i ,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(+V 1)变为反向偏置(-V 2)时,二极管并不立即截止,而是出现一个较大的反向电流R V 2

,并维持一段时间t s (称为存贮时间)后,电流才开

始减小,再经t f (称为下降时间)后,反向电流才等于静态特性上的反向电流I 0,将t rr =t s +t 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1-2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v i 激励信号,就能使晶体管从截止状态进入饱和导通,再从饱和进入截止。可见晶体管T 的集电极电流 i c 和输出电压v o 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1-2 波形所示,从v i 开始跃升到i C 上升到0.1I CS ,所需时间定义为延

迟时间t d,而i C从0.1I C S增长到0.9I CS的时间为上升时间t r,从v i开始跃降到i C下降到0.9I C S的时间为存贮时间 t S,而i C从0.9I C S下降到0.1I CS的时间为下降时间t f,通常称t o n=t d+t r为三极管开关的“接通时间”,t of f=t S+t f 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。

实验晶体管开关特性

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图 1-1 晶体二极管的开关特性图1-2 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C b和在晶体管的集电极加二极管D箝位,如图1-3所示。

C b是一个近百PF的小电容,当v i正跃变期间,由于C b的存在,R b1相当于被短路,v i几乎全部加到基极上,使T迅速进入饱和,t d和t r大大缩短。当v i 负跃变时,R b1再次被短路,使T迅速截止,也大大缩短了t s和t f,可见C b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V CC>E C,当v O超过E C后,二极管D导通,使v O的最高值被箝位在E C,从而缩短v O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t r。

3、利用二极管与三极管的非线性特性,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。

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图1-3 改善三极管开关特性的电路图1-4 二极管开关特性实验电路

三、实验设备与器件

仔细查看数字电路实验装置的结构:直流稳压电源、信号源、逻辑开关,逻辑电平显示器,元器件位置的布局及使用方法。

1、±5V、+15V直流电源

2、双踪示波器

3、续脉冲源

4、音频信号源

5、直流数字电压表

6、 IN400

7、3DG6、3DK2、2AK2及R、C元件若干

四、实验内容

在实验装置合适位置放置元件,然后接线。

1、二极管反向恢复时间的观察

按图1-4接线,E为偏置电压(0~2V可调)

(1)输入信号v i为频率f=100KHz、幅值V m=3V方波信号,E调至0V,用

双踪示波器观察和记录输入信号v i和输出信号v O的波形,并读出存贮时间t S 和下降时间t f的值。

(2)改变偏值电压E(由0变到2V),观察输出波形v O的t s和t f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1-5接线,输入v i为100KHz方波信号,晶体管选用3DG6A。

(1)将B点接至负电源-E b,使-E b在0~-4V内变化。观察并记录输出信号v O波形的t d、t r、t s和t f变化规律。

(2)将B点换接在接地点,在R b1上并-30PF的加速电容C b,观察C b对输

出波形的影响,然后将C b更换成300PF,观察并记录输出波形的变化情况。

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图 1-5 三极管开关特性实验电路图 1-6 二极管限幅器

(3)去掉C b,在输出端接入负载电容C L=30PF,观察并记录输出波形的

变化情况。

(4)在输出端再并接一负载电阻R L=1KΩ,观察并记录输出波形的变化情况。

(5)去掉R L,接入限幅二极管D(2AK2),观察并记录输出波形的变化情况。

3、二极管限幅器

按图1-6接线,输入v i为f=10KHz,V PP=4V的正弦波信号,令E=2V,1V,0V,-1V,观察输出波形v O,并列表记录。

4、二极管箝位器

按图1-7接线,v i为f=10KHz的方波信号,令E=1V、0V、-1V、-3V、观察输出波形,并列表记录。

5、三极管限幅器

按图1-8接线,v i为正弦波,f=10KHz,V PP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v O的变化情况,并列表记录。

实验晶体管开关特性

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图 1-7 二极管箝位器图 1-8 三极管限幅器

五、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。

六、实验预习要求

1、如何由+5V和-5V直流稳压电源获得+3V~-3V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,输出波形会出现什么变化?