用示波器演示三极管输出特性曲线

　　一、系统框图及测量原理

　　三极管输出特性曲线描述的是在基极电流IB不变情况下，UCE与lC之间的关系曲线。由于示波器是一种电压测量仪器，集电极电流只有转化为电压才能由示波器显示。CH2通道测量采样电阻上的压降作为示波器的Y轴输入（IC），CHl通道测量集电极电压作为X轴输入（UCE），示波器工作在X-Y模式可测得三极管的特性曲线。

　　当基极电流IB为某一恒流时（本设计将实现步进电流源为：25、50、75、100、125、150、175、200uA共八个步进值），在集电极施加同步的锯齿波，即可观测到晶体管的输出特性曲线。图1为系统框图，主要由同步信号、步进电流源电路、锯齿波电路等组成；图2为用示波器扩展为晶体管特性图示仪的原理示意图。

图1系统框图

图2晶体管特性图示仪

　　二、系统电路原理图

　　1.同步信号产生电路

　　图3中的ICl（555）及外围器件组成多谐振荡电路。设RWl及R10的等效电阻为R10.则ICl的Q输出端高电平时间为t1=0.7R10×C1（因为此时的充电回路是：

　　+5V→RWl→R10→D1→C1→GND）。 其宽度约为几十微秒，Q输出端低电平时间为t2=0.7R11×C1≈1mS（因为此时的放电回路是：C1→R11→D2→555的7脚内部三极管→GND）。该多谐振荡电路作为步进电流源电路和锯齿波电路的同步信号。

图3系统电路原理图

　　2.锯齿波电路的设计

　　图3中的T1、T2、T3、ICl及外围器件组成锯齿波电路。设RW2及R17的等效电阻为R17,流过T1发射极电流i1=0.7V,R17是一恒电流，当T2截止时，这一恒电流对电容C1充电，使得电容两端的电压线性增加。通过同步信号产生电路输出同步脉冲控制三极管T2的开关状态，当三极管T2截止时。恒流源对电容C1充电；当T2导通时，电容C1对三极管T2快速放电；从而产生线性锯齿波。[page]

　　为了提高电路的带载能力。在输出端接一个射极跟随器T3.

　　参数计算：由于同步信号的周期为1mS,所以锯齿波电路的周期也为1mS,设锯齿波的峰值电压为10V,则充电电流，式中，C1=O.1uF.△U=10V,△t-1mS,计算得I=1mA≈il,所以RW2及R17的等效电阻约为700Ω。
 

　　3.步进电流源电路的设计

　　图3中的IC4A及外围器件组成电流源电路，设RW3及R21的等效电阻为R.流过R的电流为i2.i2=（U1-U2）/R.由图中可知。U+=（Uin+U2）/2,U-=U1/2,因为U+=U-,所以U1-U2=Uin,即i2=Uin/R.是一个电流源电路。改变Uin大小可改变电流源大小。i2=25~200 u A,取R=10k,那么Uin应取25~2000mV,步进为25mV,那么如何实现Uin的取值呢？

　　TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω。图3中由R12及ZDl（TL431）产生2.500V的基准电压源。然后由R1~R9分压，其中XO-X7分别输出25~2000mV,步进为25mV.当然实际制作时，R1~R9要辅以微调电位器。

　　将R1~R9的分压输出X0~X7分别接到8选1模拟开关IC3（CD4051）的X0~X7.将二进制计数器IC2（74LSl61）构成8进制计数器，由同步信号输出Q作为IC2的时钟信号，那么IC2的Q2、Q1、Q0分别送出000~111八个状态，每种状态的切换时间1mS.将Q2、Q1、QO分别接到模拟开关IC3的地址选择信号CBA.这样由IC3的X端可输出25~2000mY的阶梯波，步进为25mV,每一台阶的稳定时间也为1mS.

　　参数计算：设待测三极管9013的基极电流为200uA,其放大倍数为200,则流过9013的集电极电流为40mA,因为锯齿波的峰值电压为10V,设降在集电极电阻R22两端的电压为8V,则R22=200Q.功率为0.32W,实际设计时取2W,R22取100Ω进行测试。

　　如图4为同步信号、阶梯电压及锯齿波信号波形图。

图4同步信号、阶梯电压及锯齿波信号

　　三、测试的方法和步骤

　　1.锯齿波的测试

　　用双踪示波器观测。CHI通道接TIPl22的射极端，CH2通道接同步信号输出端Q.测得的波形如图4所示，如果锯齿波出现削顶（充饱）状态，可调节RWl改变Q的高电平时间，也可配合调节RW2改变对C1充电电流的大小，直至获得线性锯齿波。

　　2.阶梯电压的测试

　　用双踪示波器观测。CH2通道接同步信号输出端Q,CHl通道接模拟开关CD4051的输出端X.

　　测得的波形如图所示，如果不能达到要求，请检查74LSl61的接法是否正确。

　　3测试结果

　　将双踪示波器的CHl通道的正极接地，负极接被待测测晶体管9013的集电极；CH2通道的正极接在TIPl22的射极。负极可不接，选用INV（反相输入方式）因为双踪示波器的地是共地的，选择X-Y模式，即可测得三极管特性曲线。其波形图如图5所示。

　　四、讨论

　　（1）步进恒流源：1mS步进一阶，每阶电流增量25uA,共8阶。按同样的方法可进行减少或增加阶数便于观测特性，12V的工作电源可根据需要进行调整。测NMOS管时，在BE间加一个40kΩ的电阻，就可以实现每阶1V的输入阶梯波。

　　（2）线性锯齿波和同步信号周期均为1mS,线性锯齿波外接达林顿管TIPl22后，有较强的负载能力。用555多谐振荡电路作为同步信号是本设计的技巧，也使得晶体管输入输出特性曲线简洁、直观。

　　（3）如示波器的公共地线接到待测管C极引起干扰，可以将采样电阻移至发射极，示波器的公共地线接电源地，由干晶体管Ic与le相差不大，不会影响演示效果的。