三极管特性曲线实验的回扫线问题研究

2014-08-23童立青

电气电子教学学报 2014年1期

童立青，王勇

(复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433)

“模拟与数字电路实验”是在学习了“模拟电子”和“数字电子”课程教学后，开设的一门面向本科生的重要实验课程［1，2］。

在这门实验课的教学过程中，三极管特性曲线测试实验中出现的回扫线问题一直是教学的难点和重点，不仅学生比较困惑而且教师有时也未必非常清楚。本文根据笔者长期的实验教学经验对这个问题进行深入研究，从理论分析、仿真研究和实验结果验证来阐述这个问题产生机理及提出解决方案。为学习这门课程的本科生从理论到实践的综合应用提供一个模拟电子电路实验的教学案例［3，4］。

1 三极管特性曲线实验原理

三极管输出特性曲线是以基极电流Ib为参变量，反映集电极电流Ic与集电极和发射极之间电压VCE的关系曲线，即Ic=f(VCE，Ib)表示的一簇曲线。每一条曲线都表示Ib不变时，Ic和VCE之间的关系。用Y轴表示Ic，X轴表示VCE，若要显示一簇不同的Ib曲线，基极电流可以按某一固定常量逐级增加阶梯数，集电极电压可以从零变换到某一电压又回到零值的波形。具体测试实验电路结构原理图如图1所示。从图1可知，矩形波发生电路可以生成不同斜率的锯齿波，通过一个Rc限流电阻接到被测晶体管的集电极。而由阶梯波发生电路产生的阶梯波，当达到一定电压峰值时，又回复到零值，通过一个Rb限流电阻接到被测三极管的基极。该电路设计就可以测试三极管的特性曲线。

图1 三极管特性曲线测试实验结构原理图

2 扫描回扫线的原理分析

回扫线是由于锯齿波下降段回扫过快与上升段不一致造成的现象。其本质是由三极管放大倍数的频率特性和寄生电容充放电效应所致。三极管放大倍数为

可见β随频率增高而减小，且对锯齿波来说，存在 β上升＞β下降。

寄生电容的充放电特性分析如图2所示。在图2(a)的锯齿波上升段，当Vce＞Vbe时，Cbe充电，充电电流从Ice限流电阻R流向Cbe。此时IR=β上升Ib+Icbc1，示波器的测量电流值为IR1。相反，在图2(b)的锯齿波下降段，因下降速度过大，频率过高，三极管的放大倍数β变小。另外当Vbe+Vcbc＞Vce时，放电的电流与 Ice相反。此时的IR2=β下降Ib－Icbc2，示波器的测量电流值为IR2，则IR2＜IR1，在示波器中的波形如图3所示。两者的电流差异明显呈现如图的回扫线现象。

图2 三极管回扫线充放电电路

3 抑制回扫线的方法

由于三极管特性测试实验中出现的回扫线现象，其原因是受三极管放大倍数β和Cbe充放电特性影响。因此为了消除回扫线现象，应当减小β和Cbe的影响。具体说来，就是使β在锯齿波上升段和下降段不变或降低寄生电容Cbe的影响。因此，改变下降段速度或使上升和下降速度保持一致。另外，在β不变下使Icbc=Icbc1+Icbc2影响最小。我们结合实验和仿真提出了三种解决办法，具体是:①延缓下降沿的速度;②上升段与下降段等时间间隔;③直接选用较小的寄生电容Cbe的三极管。

1)延缓下降沿的速度

延缓下降沿的速度就是降低三极管电流放大倍数受频率特性的影响。从图4(a)中可以看出当下降段的斜率约为18V/μs时，三极管特性曲线中的回扫线较明显，如图4(b)所示。原因是此时的β较小且成为主因，Ic线性降低。而从图5(a)中可以看出，当下降段的斜率约为4V/μs时，三极管特性曲线中的上升段曲线和下降段曲线分离较图4(a)小很多，如图5(b)所示。回扫线有所改善，但还较明显。因此改变下降段的斜率能部分抑制回扫线。但由于受实验中的锯齿波的斜率及实验中各种分布电容参数的影响，只能部分改善回扫线。

图4 下降沿为18V/μs的三极管特性曲线

2)上升段与下降段时间间隔相等

上升段与下降段时间间隔相等的方法就是使β上升=β下降，具体如图6所示。从图6可知当锯齿波的上升段和下降段接近相等时，回扫线与上升段曲线能近似重合，较图4和图5有所改善。而不一致之处主要由电路寄生电容Cbc效应引起，由于

图5 下降沿为4μs/V的三极管特性曲线

其中，D为锯齿波的占空比。由于R是限流电阻，是由锯齿波发生器的功率大小决定的，要使上升率和下降率相等选择D=0.5，此时Icbc也恰好最小。

图6 等上升沿和下降沿的三极管特性曲线

3)降低三极管的电容值Cbe

从上面等上升段与下降段实验可知，要进一步改善回扫线现象，就要降低Cbc的影响。但三极管型号确定后Cbc就已确定，因此在实验教学中只能采用仿真的方法进行演示。本文采用PSpice软件仿真的方法来演示，具体如图7所示。在图7(a)中，选用Q2N2222型三极管，仿真软件系统设定的结电容参数为Cjc=7.3pF，Cje=22pF，从图中可以看出在此结电容参数情况下三极管特性曲线呈现明显的回扫线。而图7(b)中的结电容参数改为Cjc=1pF，Cje=2pF，其特性曲线的回扫线抑制明显。因此通过仿真的方法也能揭示结电容对回扫线的影响。