单结晶体管伏安特性的测试解决方案

电子设计 2019-01-04 4680

描述

单结晶体管是近几年发展起来的一类新型电子器件，它具有一种重要的电气性能，即负阻特性，可以大大简化自激多谐振荡器、阶梯波发生器及定时电路等多种脉冲产生单元电路的结构，故而应用十分广泛。了解单结晶体管的伏安特性曲线，是理解及设计含单结晶体管电路工作原理的基础。在传统的单结晶体管伏安特性测试实验中，通常需要直流电源与晶体管图示仪两种设备配合使用，然而图示仪没有相应的器件插孔，测试很不方便。另外，因图示仪的频率特性低，无法显示单结晶体管伏安特性的负阻区，这给理解其特性曲线带来困难。可以利用Multisim 10与LabVIEW结合完整地显示其特性曲线，且方便于读取峰点与谷点的电压及电流值。

1 用Multisim 10进行数据采集

Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，但没有晶体管图示仪，只能测试晶体三极管、PMOS和NMOS伏安特性曲线，不具备测试单结晶体管的伏安特性的功能。可以利用Multisim 10强大的仿真功能，对单结晶体管的测试电路进行数据采集。

1.1 单结晶体管的测试电路

单结晶体管的伏安特性测试条件是当第二基极B2与第一基极B1之间的电压VBB固定时，测试发射极电压VE和发射极电流IE之间的关系。在Multisim 10中画出单结晶体管的测试电路，如图l所示。选取2N6027管为测试管，图1中4号线接发射极E；3号线接第二基极B2；0号线接第一基极B1；电压源V1和V2的数值不固定，可在直流扫描时进行修改。

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1.2 单结晶体管测试电路的直流扫描分析

Multisim 10可同时对2个直流源进行扫描，仿真时，选择V2直流源，扫描曲线的数量等于V2直流源的采样点数。每条曲线相当于V2直流源取某个电压值时，对V1直流源进行直流扫描分析所得的曲线。横坐标是V2，纵坐标是V(4)电压(即VE)和I(V3)电流(即IE)，不符合单结晶体管伏安特性VE与IE之间的关系曲线，即直流扫描曲线不能直观地反映VE与IE之间的关系，必须进行进一步的处理。

1.3 单结晶体管测试数据的后处理

可采用Multisim 10提供的后处理功能与直流扫描功能相配合，将采集的实验数据输出到Excel电子表格中，如图2所示。在Excel表中，X-Trace栏显示的是变化的V2电压值；Y-Trace显示的是不同V2电压下，I(V2)的电流值和V(4)的电压值，因为每个点均有横坐标与纵坐标的值，所以会出现多次的X-Trace栏。至此，由Multisim10进行的数据采集工作已经结束。

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2 用LabVIEW显示单结晶体管伏安特性

LabVIEW的主要特点是用户可依托计算机的资源构建虚拟仪器，以代替实际仪器完成测试和测量任务。在LabVIEW中，开发程序都被称为VI(虚拟仪器)，其扩展名默认为．vi。所有的VI都包括前面板(front panel)、框图(block diagram)及图标和连接器窗格(icon and connector pane)3部分。虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，它模仿了实际仪器的面板。Multisim 10采集的数据为Excel电子表格数据，1个点1对坐标，是输入电压V2与I(V2)及输入电压V2与V(4)的关系，而单结晶体管的伏安特性描述的是电压V(4)，即VE与电流I(V2)，即IE之间的关系，因此不能直接用Multisim 10采集的数据进行显示，可以通过LabVIEW进行相应数据的提取。

2.1 LabVIEW软件程序开发

LabVIEW程序设计具有结构化和层次化的特征。通过采用模块化的设计方法，一个应用程序可以分为许多个相对独立的模块，每个模块实现特定的功能。通过对模块的不同管理和组合，可以完成各种复杂VI的程序设计。当程序规模较大，或有多个相同的处理模块时，用户可以为这些模块设计一个子程序，即子VI。子VI类似于传统文本语言的子程序，它可以被多次调用，而不用重新编写代码，这使得设计复杂的重复性动作变得更加容易，应用程序的维护更加简单。创建应用程序时，通常从顶层VI开始，为应用程序定义输入和输出，然后构建子VI，完成对流过框图数据流的必要操作。数据显示程序的设计层次如图3所示，图中自创文件主要有三个，低层文件SN TRAN、中层文件SM、高层文件UTJ VI。

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2.1.1 数据显示程序结构中子程序介绍

SN TRAN子程序功能：字符串转换子程序，读取含有以逗号、换行或其他非数字字符分隔的数字ASCII字符串，并将其转换为一个数组，采用该子程序可以将Multisim 10中采集的数据转换成LabVIEW中可以读取的数据，其程序框图如图4所示。

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SM扫描子VI功能：将采集的数据文件读人，并可以显示出数据或波形，其程序框图如5所示。经SN TRAN转换后得到的数据可以用数值方式显示两个量之间的对应关系；也可以作为图形直观地显示两个量之间的变化趋势。UTJ VI单结晶体管显示子VI功能：显示单结晶体管VE和IE之间的变化趋势，程序框图如图6所示。其前面板显示的单结晶体管伏安特性曲线如图7所示。

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2.2 单结晶体管伏安特性参数的读取

游标是图形的特殊个性化特征，利用图形的游标能够准确地读出曲线上任何一点的数据，如图7所示。这里增加了两个游标，分别命名为P：VP&IP和V：VV＆IV，且可以设置成在图中显示，这样既可直观地看出具体点的标记。名称后面的数据分别表示横坐标电压和纵坐标电流的数值，且数据精度可以根据需要设置。因单结晶体管的反向漏电流很小，只是微安级，所以应将精度设置大些，才能体现出数据的变化。移动游标，可以读出任意点的坐标，这样方便于读数，游标的形状、颜色均可以改变，增加了使用的灵活性。

2.3 单结晶体管伏安特性分析

截止区当加在第二基极与第一基极间的电压VBB固定时，等效电路中A点对B1的电压UA=ηVBB为定值；当VE较小，且VEA时，PN结反偏，此时只有很小的反向漏电流IEO(几微安)，如前面板中显示的前几个电压值很小时，电流值为负，即图中曲线的起始段；当VE增大，且VE=VA时，PN结处于零偏，IE=0。当VE继续增大，且VE>VA时，IE开始大于零。由于硅二极管的正向压降为0.7 V，所以IE不会显著的增加，该电压称为峰值电压VP，图中显示为VP=6.538 54 V，对应的电流称为峰值电流IP，图中显示为IP=0.00 249 A=0.25 mA，这一区域称为截止区，即P点前区。因为数值太小，从曲线上看不出来变化趋势。

负阻区当VE继续增加，且VE>VA时，管子转向导通，PN结电流开始显著增加，这时将有大量的空穴进入基区，使E，B1间的载流子大量增加，Re1迅速减小，而RB1的减小又使VA降低，导致IE又进一步加大，这种正反馈的过程，使IE急剧增加，VA下降，此时单结晶体管呈现了负阻特性，如图中曲线的P～V段。到了“V”点，负阻特性结束，V点电压Vv称为谷点电压。前面板中V点坐标显示为Vv=0.867 417 V，对应的电流称为谷点电流Iv(Iv=0.057 295 A=57.29 mA)。

饱和区过了谷点V之后，继续增加VE，IE～VE曲线的形状接近二极管导通时的正向特性曲线，如曲线“V”点向上段，此时称为饱和区。

当改变VBB电压时，即改变了阈值电压VA，此时曲线的峰点电压也随之改变。

3 结语

Muhisim 10与LabVIEW相结合，利用子程序做成测试单结晶体管弛张振荡电路中电容器的充放电尖脉冲波形，可以弥补普通示波器测试频带窄而不能显示这些波形的缺陷。这种方法还可以推广到测试并显示任何电路中任意两个量之间的关系，这对分析电路的伏安特性、传输特性等具有很大的意义。

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