單結(jié)晶體管伏安特性的測試解決方案

單結(jié)晶體管是近幾年發(fā)展起來的一類新型電子器件，它具有一種重要的電氣性能，即負阻特性，可以大大簡化自激多諧振蕩器、階梯波發(fā)生器及定時電路等多種脈沖產(chǎn)生單元電路的結(jié)構(gòu)，故而應用十分廣泛。了解單結(jié)晶體管的伏安特性曲線，是理解及設計含單結(jié)晶體管電路工作原理的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的單結(jié)晶體管伏安特性測試實驗中，通常需要直流電源與晶體管圖示儀兩種設備配合使用，然而圖示儀沒有相應的器件插孔，測試很不方便。另外，因圖示儀的頻率特性低，無法顯示單結(jié)晶體管伏安特性的負阻區(qū)，這給理解其特性曲線帶來困難?？梢岳?a target="_blank">Multisim 10與LabVIEW結(jié)合完整地顯示其特性曲線，且方便于讀取峰點與谷點的電壓及電流值。

1 用Multisim 10進行數(shù)據(jù)采集

Multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，但沒有晶體管圖示儀，只能測試晶體三極管、PMOS和NMOS伏安特性曲線，不具備測試單結(jié)晶體管的伏安特性的功能。可以利用Multisim 10強大的仿真功能，對單結(jié)晶體管的測試電路進行數(shù)據(jù)采集。

1.1 單結(jié)晶體管的測試電路

單結(jié)晶體管的伏安特性測試條件是當?shù)诙鶚OB2與第一基極B1之間的電壓VBB固定時，測試發(fā)射極電壓VE和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系。在Multisim 10中畫出單結(jié)晶體管的測試電路，如圖l所示。選取2N6027管為測試管，圖1中4號線接發(fā)射極E；3號線接第二基極B2；0號線接第一基極B1；電壓源V1和V2的數(shù)值不固定，可在直流掃描時進行修改。

1.2 單結(jié)晶體管測試電路的直流掃描分析

Multisim 10可同時對2個直流源進行掃描，仿真時，選擇V2直流源，掃描曲線的數(shù)量等于V2直流源的采樣點數(shù)。每條曲線相當于V2直流源取某個電壓值時，對V1直流源進行直流掃描分析所得的曲線。橫坐標是V2，縱坐標是V(4)電壓(即VE)和I(V3)電流(即IE)，不符合單結(jié)晶體管伏安特性VE與IE之間的關(guān)系曲線，即直流掃描曲線不能直觀地反映VE與IE之間的關(guān)系，必須進行進一步的處理。

1.3 單結(jié)晶體管測試數(shù)據(jù)的后處理

可采用Multisim 10提供的后處理功能與直流掃描功能相配合，將采集的實驗數(shù)據(jù)輸出到Excel電子表格中，如圖2所示。在Excel表中，X-Trace欄顯示的是變化的V2電壓值；Y-Trace顯示的是不同V2電壓下，I(V2)的電流值和V(4)的電壓值，因為每個點均有橫坐標與縱坐標的值，所以會出現(xiàn)多次的X-Trace欄。至此，由Multisim10進行的數(shù)據(jù)采集工作已經(jīng)結(jié)束。

2 用LabVIEW顯示單結(jié)晶體管伏安特性

LabVIEW的主要特點是用戶可依托計算機的資源構(gòu)建虛擬儀器，以代替實際儀器完成測試和測量任務。在LabVIEW中，開發(fā)程序都被稱為VI(虛擬儀器)，其擴展名默認為．vi。所有的VI都包括前面板(front panel)、框圖(block diagram)及圖標和連接器窗格(icon and connector pane)3部分。虛擬儀器的交互式用戶接口被稱為前面板，它模仿了實際儀器的面板。Multisim 10采集的數(shù)據(jù)為Excel電子表格數(shù)據(jù)，1個點1對坐標，是輸入電壓V2與I(V2)及輸入電壓V2與V(4)的關(guān)系，而單結(jié)晶體管的伏安特性描述的是電壓V(4)，即VE與電流I(V2)，即IE之間的關(guān)系，因此不能直接用Multisim 10采集的數(shù)據(jù)進行顯示，可以通過LabVIEW進行相應數(shù)據(jù)的提取。

2.1 LabVIEW軟件程序開發(fā)

LabVIEW程序設計具有結(jié)構(gòu)化和層次化的特征。通過采用模塊化的設計方法，一個應用程序可以分為許多個相對獨立的模塊，每個模塊實現(xiàn)特定的功能。通過對模塊的不同管理和組合，可以完成各種復雜VI的程序設計。當程序規(guī)模較大，或有多個相同的處理模塊時，用戶可以為這些模塊設計一個子程序，即子VI。子VI類似于傳統(tǒng)文本語言的子程序，它可以被多次調(diào)用，而不用重新編寫代碼，這使得設計復雜的重復性動作變得更加容易，應用程序的維護更加簡單。創(chuàng)建應用程序時，通常從頂層VI開始，為應用程序定義輸入和輸出，然后構(gòu)建子VI，完成對流過框圖數(shù)據(jù)流的必要操作。數(shù)據(jù)顯示程序的設計層次如圖3所示，圖中自創(chuàng)文件主要有三個，低層文件SN TRAN、中層文件SM、高層文件UTJ VI。

2.1.1 數(shù)據(jù)顯示程序結(jié)構(gòu)中子程序介紹

SN TRAN子程序功能：字符串轉(zhuǎn)換子程序，讀取含有以逗號、換行或其他非數(shù)字字符分隔的數(shù)字ASCII字符串，并將其轉(zhuǎn)換為一個數(shù)組，采用該子程序可以將Multisim 10中采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LabVIEW中可以讀取的數(shù)據(jù)，其程序框圖如圖4所示。

SM掃描子VI功能：將采集的數(shù)據(jù)文件讀人，并可以顯示出數(shù)據(jù)或波形，其程序框圖如5所示。經(jīng)SN TRAN轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)可以用數(shù)值方式顯示兩個量之間的對應關(guān)系；也可以作為圖形直觀地顯示兩個量之間的變化趨勢。UTJ VI單結(jié)晶體管顯示子VI功能：顯示單結(jié)晶體管VE和IE之間的變化趨勢，程序框圖如圖6所示。其前面板顯示的單結(jié)晶體管伏安特性曲線如圖7所示。

2.2 單結(jié)晶體管伏安特性參數(shù)的讀取

游標是圖形的特殊個性化特征，利用圖形的游標能夠準確地讀出曲線上任何一點的數(shù)據(jù)，如圖7所示。這里增加了兩個游標，分別命名為P：VP&IP和V：VV＆IV，且可以設置成在圖中顯示，這樣既可直觀地看出具體點的標記。名稱后面的數(shù)據(jù)分別表示橫坐標電壓和縱坐標電流的數(shù)值，且數(shù)據(jù)精度可以根據(jù)需要設置。因單結(jié)晶體管的反向漏電流很小，只是微安級，所以應將精度設置大些，才能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化。移動游標，可以讀出任意點的坐標，這樣方便于讀數(shù)，游標的形狀、顏色均可以改變，增加了使用的靈活性。

2.3 單結(jié)晶體管伏安特性分析

截止區(qū) 當加在第二基極與第一基極間的電壓VBB固定時，等效電路中A點對B1的電壓UA=ηVBB為定值；當VE較小，且VEA時，PN結(jié)反偏，此時只有很小的反向漏電流IEO(幾微安)，如前面板中顯示的前幾個電壓值很小時，電流值為負，即圖中曲線的起始段；當VE增大，且VE=VA時，PN結(jié)處于零偏，IE=0。當VE繼續(xù)增大，且VE>VA時，IE開始大于零。由于硅二極管的正向壓降為0.7 V，所以IE不會顯著的增加，該電壓稱為峰值電壓VP，圖中顯示為VP=6.538 54 V，對應的電流稱為峰值電流IP，圖中顯示為IP=0.00 249 A=0.25 mA，這一區(qū)域稱為截止區(qū)，即P點前區(qū)。因為數(shù)值太小，從曲線上看不出來變化趨勢。

負阻區(qū) 當VE繼續(xù)增加，且VE>VA時，管子轉(zhuǎn)向?qū)?，PN結(jié)電流開始顯著增加，這時將有大量的空穴進入基區(qū)，使E，B1間的載流子大量增加，Re1迅速減小，而RB1的減小又使VA降低，導致IE又進一步加大，這種正反饋的過程，使IE急劇增加，VA下降，此時單結(jié)晶體管呈現(xiàn)了負阻特性，如圖中曲線的P～V段。到了“V”點，負阻特性結(jié)束，V點電壓Vv稱為谷點電壓。前面板中V點坐標顯示為Vv=0.867 417 V，對應的電流稱為谷點電流Iv(Iv=0.057 295 A=57.29 mA)。

飽和區(qū) 過了谷點V之后，繼續(xù)增加VE，IE～VE曲線的形狀接近二極管導通時的正向特性曲線，如曲線“V”點向上段，此時稱為飽和區(qū)。

當改變VBB電壓時，即改變了閾值電壓VA，此時曲線的峰點電壓也隨之改變。

3 結(jié) 語

Muhisim 10與LabVIEW相結(jié)合，利用子程序做成測試單結(jié)晶體管弛張振蕩電路中電容器的充放電尖脈沖波形，可以彌補普通示波器測試頻帶窄而不能顯示這些波形的缺陷。這種方法還可以推廣到測試并顯示任何電路中任意兩個量之間的關(guān)系，這對分析電路的伏安特性、傳輸特性等具有很大的意義。