三極管特性曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)的回掃線(xiàn)問(wèn)題研究

童立青，王 勇

(復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433)

“模擬與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)”是在學(xué)習(xí)了“模擬電子”和“數(shù)字電子”課程教學(xué)后，開(kāi)設(shè)的一門(mén)面向本科生的重要實(shí)驗(yàn)課程［1，2］。

在這門(mén)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過(guò)程中，三極管特性曲線(xiàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的回掃線(xiàn)問(wèn)題一直是教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，不僅學(xué)生比較困惑而且教師有時(shí)也未必非常清楚。本文根據(jù)筆者長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，從理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證來(lái)闡述這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理及提出解決方案。為學(xué)習(xí)這門(mén)課程的本科生從理論到實(shí)踐的綜合應(yīng)用提供一個(gè)模擬電子電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例［3，4］。

1 三極管特性曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理

三極管輸出特性曲線(xiàn)是以基極電流Ib為參變量，反映集電極電流Ic與集電極和發(fā)射極之間電壓VCE的關(guān)系曲線(xiàn)，即Ic=f(VCE，Ib)表示的一簇曲線(xiàn)。每一條曲線(xiàn)都表示Ib不變時(shí)，Ic和VCE之間的關(guān)系。用Y軸表示Ic，X軸表示VCE，若要顯示一簇不同的Ib曲線(xiàn)，基極電流可以按某一固定常量逐級(jí)增加階梯數(shù)，集電極電壓可以從零變換到某一電壓又回到零值的波形。具體測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。從圖1可知，矩形波發(fā)生電路可以生成不同斜率的鋸齒波，通過(guò)一個(gè)Rc限流電阻接到被測(cè)晶體管的集電極。而由階梯波發(fā)生電路產(chǎn)生的階梯波，當(dāng)達(dá)到一定電壓峰值時(shí)，又回復(fù)到零值，通過(guò)一個(gè)Rb限流電阻接到被測(cè)三極管的基極。該電路設(shè)計(jì)就可以測(cè)試三極管的特性曲線(xiàn)。

圖1 三極管特性曲線(xiàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理圖

2 掃描回掃線(xiàn)的原理分析

回掃線(xiàn)是由于鋸齒波下降段回掃過(guò)快與上升段不一致造成的現(xiàn)象。其本質(zhì)是由三極管放大倍數(shù)的頻率特性和寄生電容充放電效應(yīng)所致。三極管放大倍數(shù)為

可見(jiàn)β隨頻率增高而減小，且對(duì)鋸齒波來(lái)說(shuō)，存在 β上升＞β下降。

寄生電容的充放電特性分析如圖2所示。在圖2(a)的鋸齒波上升段，當(dāng)Vce＞Vbe時(shí)，Cbe充電，充電電流從Ice限流電阻R流向Cbe。此時(shí)IR=β上升Ib+Icbc1，示波器的測(cè)量電流值為IR1。相反，在圖2(b)的鋸齒波下降段，因下降速度過(guò)大，頻率過(guò)高，三極管的放大倍數(shù)β變小。另外當(dāng)Vbe+Vcbc＞Vce時(shí)，放電的電流與 Ice相反。此時(shí)的IR2=β下降Ib－Icbc2，示波器的測(cè)量電流值為IR2，則IR2＜IR1，在示波器中的波形如圖3所示。兩者的電流差異明顯呈現(xiàn)如圖的回掃線(xiàn)現(xiàn)象。

圖2 三極管回掃線(xiàn)充放電電路

3 抑制回掃線(xiàn)的方法

由于三極管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的回掃線(xiàn)現(xiàn)象，其原因是受三極管放大倍數(shù)β和Cbe充放電特性影響。因此為了消除回掃線(xiàn)現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)減小β和Cbe的影響。具體說(shuō)來(lái)，就是使β在鋸齒波上升段和下降段不變或降低寄生電容Cbe的影響。因此，改變下降段速度或使上升和下降速度保持一致。另外，在β不變下使Icbc=Icbc1+Icbc2影響最小。我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真提出了三種解決辦法，具體是:①延緩下降沿的速度;②上升段與下降段等時(shí)間間隔;③直接選用較小的寄生電容Cbe的三極管。

1)延緩下降沿的速度

延緩下降沿的速度就是降低三極管電流放大倍數(shù)受頻率特性的影響。從圖4(a)中可以看出當(dāng)下降段的斜率約為18V/μs時(shí)，三極管特性曲線(xiàn)中的回掃線(xiàn)較明顯，如圖4(b)所示。原因是此時(shí)的β較小且成為主因，Ic線(xiàn)性降低。而從圖5(a)中可以看出，當(dāng)下降段的斜率約為4V/μs時(shí)，三極管特性曲線(xiàn)中的上升段曲線(xiàn)和下降段曲線(xiàn)分離較圖4(a)小很多，如圖5(b)所示?；貟呔€(xiàn)有所改善，但還較明顯。因此改變下降段的斜率能部分抑制回掃線(xiàn)。但由于受實(shí)驗(yàn)中的鋸齒波的斜率及實(shí)驗(yàn)中各種分布電容參數(shù)的影響，只能部分改善回掃線(xiàn)。

圖4 下降沿為18V/μs的三極管特性曲線(xiàn)

2)上升段與下降段時(shí)間間隔相等

上升段與下降段時(shí)間間隔相等的方法就是使β上升=β下降，具體如圖6所示。從圖6可知當(dāng)鋸齒波的上升段和下降段接近相等時(shí)，回掃線(xiàn)與上升段曲線(xiàn)能近似重合，較圖4和圖5有所改善。而不一致之處主要由電路寄生電容Cbc效應(yīng)引起，由于

圖5 下降沿為4μs/V的三極管特性曲線(xiàn)

其中，D為鋸齒波的占空比。由于R是限流電阻，是由鋸齒波發(fā)生器的功率大小決定的，要使上升率和下降率相等選擇D=0.5，此時(shí)Icbc也恰好最小。

圖6 等上升沿和下降沿的三極管特性曲線(xiàn)

3)降低三極管的電容值Cbe

從上面等上升段與下降段實(shí)驗(yàn)可知，要進(jìn)一步改善回掃線(xiàn)現(xiàn)象，就要降低Cbc的影響。但三極管型號(hào)確定后Cbc就已確定，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只能采用仿真的方法進(jìn)行演示。本文采用PSpice軟件仿真的方法來(lái)演示，具體如圖7所示。在圖7(a)中，選用Q2N2222型三極管，仿真軟件系統(tǒng)設(shè)定的結(jié)電容參數(shù)為Cjc=7.3pF，Cje=22pF，從圖中可以看出在此結(jié)電容參數(shù)情況下三極管特性曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的回掃線(xiàn)。而圖7(b)中的結(jié)電容參數(shù)改為Cjc=1pF，Cje=2pF，其特性曲線(xiàn)的回掃線(xiàn)抑制明顯。因此通過(guò)仿真的方法也能揭示結(jié)電容對(duì)回掃線(xiàn)的影響。

圖7 不同Cbe下的三極管仿真特性曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)三極管特性曲線(xiàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)課程中出現(xiàn)的回掃線(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考和驗(yàn)證，使學(xué)生能清楚地解釋這一現(xiàn)象。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真的方法能使學(xué)生增強(qiáng)信心，獲得從理論學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一種論證方法的學(xué)習(xí)。

［1］ 王勇.模擬與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

［2］ 陳光夢(mèng).模擬電子學(xué)基礎(chǔ)［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2009.

［3］ 潘克修.“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(6):54-55，79.

［4］ 鄭雪梅，趙彩鳳，吳建強(qiáng).VFOC變頻器在應(yīng)用中的問(wèn)題及解決對(duì)策［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34:128-129.