模拟电子电路实验调试与故障检测第三章.docx
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模拟电子电路实验调试与故障检测第三章
第3章模拟电子技术基础实验
3.1晶体管特性曲线的测试
一、实验目的
1.掌握使用万用表判别晶体管的电极和性能的好坏。
2.学会使用晶体管特性图示仪来测量二极管和三极管的特性曲线。
二、实验元器件及仪器
1.元器件
三极管3DG6、3DJ6F、BS170各几个
2.仪器数字万用表,BJ-4814型晶体管特性图示仪
三、实验原理
1.半导体二极管
二极管的内部结构是一个PN结,具有单向导电性能,其正向电阻小,反向电阻大,在其两端加正向电压时,二极管导通,加反向电压时,二极管截止。
二极管导通以后两端的正偏电压称为二极管的管压降。
一般硅管的管压降为0.6~0.8V,锗管的管压降为0.2~0.3V。
用指针式万用表的欧姆挡或数字万用表的“
”档,可判别二极管极性及检验其质量的优劣。
二极管极性判别:
测试过程中,关键是要清楚所用万用表的两个表笔对应电池的电压极性。
若使用的是指针式万用表,则黑表笔接的是表内电池的正极(插入“-”孔中),红表笔接的是负极(插入“+”孔中)。
若使用的是数字万用表则相反,红表笔(插入V/Ω孔)是正极,黑表笔(插入COM孔)是负极。
数字万用表不能用电阻档来测量二极管,而要用“
”档测量。
如果数字万用表的读数为0.6~0.8V(硅管),或0.2~0.3V(锗管),则与红表笔相接的是二极管的正极,与黑表笔相接的是万用表的负极;若万用表读数最高位显示1(即超量程),则二极管处于反向状态,即与红表笔相接的是二极管的负极,与黑表笔相接的是万用表的正极。
若二极管正向、反向测量,万用表读数最高位均显示1(即超量程)则表明二极管的内部断路。
2.晶体三极管
三极管具有信号放大的作用,它由两个PN结组成,分为PNP型和NPN型两种结构,如图3.1.1所示。
三极管的e、b、c字母,分别代表发射极、基极、集电极,由晶体管内部载流子的运动规律决定,只有当发射结处正向偏置,集电结反向偏置三极管才有电流放大作用。
用万用表判断晶体三极管的类型及三个电极的方法如下:
(1)三颠倒,找基极
测试三极管要使用万用电表的欧姆挡,并选择R×100或R×1k挡位。
红表笔所连接的是表内电池的负极,黑表笔则连接着表内电池的正极。
假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型,也分不清各管脚是什么电极。
测试的第一步是判断哪个管脚是基极。
这时,我们任取两个电极(如这两个电极为1、2),用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻,观察表针的偏转角度;接着,再取1、3两个电极和2、3两个电极,分别颠倒测量它们的正、反向电阻,观察表针的偏转角度。
在这三次颠倒测量中,必然有两次测量结果相近:
即颠倒测量中表针一次偏转大,一次偏转小;剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小,这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。
图3.1.1三极管结构图
(2)PN结,定管型
找出三极管的基极后,我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。
将万用表的黑表笔接触基极,红表笔接触另外两个电极中的任一电极,若表头指针偏转角度很大,则说明被测三极管为NPN型管;若表头指针偏转角度很小,则被测管即为PNP型。
(3)顺箭头,偏转大
找出了基极b,另外两个电极哪个是集电极c,哪个是发射极e呢?
这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。
对于NPN型三极管,用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec,虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小,但仔细观察,总会有一次偏转角度稍大,此时电流的流向一定是:
黑表笔→c极→b极→e极→红表笔,电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”),所以此时黑表笔所接的一定是集电极c,红表笔所接的一定是发射极e。
(4)对于PNP型的三极管,道理也类似于NPN型,其电流流向一定是:
黑表笔→e极→b极→c极→红表笔,其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致,所以此时黑表笔所接的一定是发射极e,红表笔所接的一定是集电极c。
现在很多实验室用的都是数字式万用表了,现在我们介绍一下用数字式万用表怎样来检测三极管:
(1)用数字万用表的“
”档位测量三极管的类型和基极b
用测量二极管的方法,我们可以用数字万用表的“
”档去测基极。
对于PNP管,当黑表笔(连表内电池负极)在基极上,红表笔去测另两个极时一般为相差不大的较小读数(一般0.5-0.8),如表笔反过来接则最高位显示为1(表示超量程)。
对于NPN表来说则是红表笔(连表内电池正极)连在基极上。
(2)发射极e和集电极c的判断
①知道了管子的类型和基极(管脚B)之后,利用万用表的“
”档测量。
对于NPN管,红表笔接基极,黑表笔分别接另外两个极,其中有两次读数,读数较小者,红表笔接的就是集电极(C脚);读数较大者,红表笔接的就是发射极(e脚)。
PNP管红黑表笔的接法颠倒过来。
②知道了管子的类型和管脚B之后,利用万用表测量“β(HFE)值”的档位,判断发射极e和集电极c。
将档位旋至hFE,基极插入所对应类型的孔中,把其于管脚分别插入c、e孔观察数据,再将c、e孔中的管脚对调再看数据,数值大的说明管脚插对了。
(3)判别三极管的好坏
测试时用万用表测“
”档位分别测试三极管发射结、集电结的正、反偏是否正常,正常的三极管是好的,否则三极管已损坏。
如果在测量中找不到公共b极、该三极管也为坏管子。
3.晶体管特性曲线的测试
上面是对晶体管简单的测试和判别,下面我们介绍用晶体管特性图示仪来测试二极管的伏安特性和三极管的输入、输出特性曲线,以及电流放大系数β。
晶体管特性图示仪是由阶梯信号发生器(供给待测管的基极和发射极回路)、集电极扫描信号发生器、X轴放大器、示波管及控制电路等组成。
根据X轴上作用量的不同,示波管屏幕上会显示不同的特性曲线。
例如,若在X轴加基极电压,在Y轴加基极电流,就能显示晶体管的输入特性曲线;若在X轴加集电极电压,在Y轴加集电极电流,就能显示晶体管的输出特性曲线;若在X轴上加基极电流,在Y轴加集电极电流,即可显示晶体管的电流放大特性曲线,直接读出β值。
(1)二极管的测试
(一)二极管正向特性曲线的测试
测试前,“峰值电压”先调至0。
将被测二极管按图3.1.2(a)的位置接在图示仪测试台“C”、“E”两端,调整图示仪“X、Y”轴位移,使坐标原点为屏幕左下角位置。
面板各旋钮开关位置为:
①峰值电压范围-----0~20V;②集电极扫描极性-----正(+);③功耗限制电阻-----100Ω;④Y轴选择开关-----5mA/度;⑤X轴选择开关-----0.1V/度(Vb);⑥阶梯选择开关-----0.01mA/级;⑦零电流、零电压开关------正常;⑧阶梯极性-----正;⑨级/簇-----10。
从零开始逐渐加大峰值电压,在屏幕上可得图3.1.2(b)所示的二极管正向伏安特性曲线。
配合特性曲线,可以测出二极管的一些参数。
二极管的正向特性曲线的主要参数有:
①二极管的门坎电压Uth:
门槛电压是指二极管刚好导通时两端的电压差。
②二极管的正向直流电阻RD:
指给定工作电流处的电压与电流之比。
③二极管的正向交流电阻rd:
指在给定电流处的△UD与△ID之比:
rd=△UD/△ID。
(a)连接方式(b)特性曲线
图3.1.2二极管正向特性
(二)二极管反相特性曲线的测试
①测试前,“峰值电压”先调至0;②峰值电压范围-----0-200V;③集电极扫描极性-----正(+);④功耗限制电阻-----20KΩ;⑤Y轴选择开关-----1mA/度;⑥X轴选择开关-----10V/度(Vb);⑦阶梯选择开关-----0.01mA/级;⑧零电流、零电压开关-----正常;⑨阶梯极性-----正;⑩级/簇-----10。
按图3.1.3(a)将二极管插入图示仪测试台,从零开始慢慢调节峰值电压,便能在图示仪屏上观察到如图3.1.3(b)所示的二极管的反向伏安特性曲线。
(a)连接方式(b)特性曲线
图3.1.3二极管反向特性
通过曲线,配合图示仪面板旋钮所指数值测出各项具体参数,二极管反向特性的主要参数有:
①最高反向工作电压UR:
指二极管不被反向击穿时的最高反向电压。
通常取反向击穿电压的2/3或1/2的值。
②反向击穿电压UBR:
指反向击穿电压加大到某个值,反向电流迅速增大时,所对应的电压值如图3.1.3(b)所示。
③最大反向电流IBR:
指二极管加最高反向电压时的反向电流值。
(三)稳压管的测试
由于稳压管是利用反向击穿特性而稳压的,因此只要能在屏幕上显示出稳压管的反向特性曲线,通过反向伏安特性曲线可直接测出稳压管的一些主要参数,测量的方法与一般二极管相同。
稳压管的稳压特性曲线如图3.1.4所示。
图3.1.4稳压管稳压特性
稳压二极管的主要参数有:
①稳定电压UZ:
指在正常电流IZ时所对应的电压值。
②最大稳定电流IZmax:
指稳压管刚离开稳压区所对应的电流,为了防止测试中损坏管子,应事先根据手册给出的耗散功率PZ和UZ求出IZmax≤PZ/UZ。
③最小稳定电流IZmin:
指稳压管刚入稳压区所对应的反向电流。
④动态电阻rz:
指稳压管端电压的变化量与电流变化量的比值:
rZ=△UZ/△IZ,rZ愈小,则稳压性能就愈好。
其值一般为数十欧姆,测试方法与普通二极管的测试方法相同,“峰值电压范围”应选择0~200V,根据稳压管的反向伏安特性曲线求出上述各主要参数。
(2)晶体三极管的测试
(一)输入特性曲线的测试
按图3.1.5(a)所示,将被测晶体管插入图示仪测试台,面板各旋钮开关位置为:
①测试前,“峰值电压”先调至0;②峰值电压范围-----0-20V;③集电极扫描极性-----正(+);④功耗限制电阻-----100Ω;⑤Y轴选择开关-----阶梯;⑥X轴选择开关-----0.1V/度(Vb);⑦阶梯选择开关-----0.01mA/级;⑧零电流、零电压开关-----正常;⑨阶梯极性-----正;⑩级/簇-----10。
逐渐加大峰值电压就可得到如图3.1.5(b)所示的三极管输入特性曲线。
读出Ib、Vb的增量值,便可计算出输入阻抗。
(a)连接方式(b)特性曲线
图3.1.5三极管输入特性
将阶梯信号部分选至Ib=0挡,选择适当的功耗限制电阻,逐渐加大水平偏转因数(Vc)和集电极扫描电压,扫线拐点处即为Vceo。
(二)输出特性曲线的测试
输出特性曲线是三极管常用的一簇曲线,很多重要参数都可以从中测出。
将半导体管的E.B.C管脚插在测试盒相应的插座上,面板各开关置于下列位置:
①测试前,“峰值电压”先调至0;②峰值电压范围-----0-20V;③集电极扫描极性-----正(+);④功耗限制电阻-----1KΩ;⑤Y轴选择开关-----2mA/度;⑥X轴选择开关-----2V/度(Vc);⑦阶梯选择开关-----0.01mA/级;⑧零电流,零电压开关-----正常;⑨阶梯极性-----正;⑩级/簇-----10。
峰值电压由零开始逐渐加大,在屏幕上即能显示出如图3.1.6所示的输出性曲线。
根据坐标刻度所在档位读出Ic值,根据阶梯选择开关得到Ib值。
根据特性曲线,配合图示仪面板上开关旋钮位置,便可求出三极管的共射直流放大系数
和共射交流放大系数β:
图3.1.6三极管输出特性曲线
3.场效应半导体管
现以3DJ6为例,测试输出特性。
按图3.1.7(a)插入3DJ6。
(a)连接方式(b)转移特性曲线
图3.1.7三极管输入特性
各开关所置挡位:
测试前,峰值电压先调到零点
功耗限制电阻---------------100Ω
峰值电压范围---------------0-20V
集电极扫描极性------------正
Y轴选择开关---------------0.5mA/度
X轴选择开关---------------1V/度(Vc)
阶梯选择开关---------------0.05V/级
阶梯极性----------------------负
零电流、零电压开关------正常
调整“峰值电压”旋钮便可得到图3.1.7的转移特性曲线,从曲线中可读出饱和漏电流值与夹断电压值。
四、实验任务与步骤
1.使用万用表来判断二极管的正、负电极,测量二极管的正向压降,并根据万用表的读数来判别二极管是硅材料还是锗材料。
判断三极管的类型、电极、材料及电流放大系数β。
2.利用晶体管图示仪测量二极管(如2AP6、2CP21)、稳压二极管(如2CW15)的正向特性、反向特性,画出特性曲线,并在曲线上标明门限电压,最大的反向工作电压,稳压二极管的稳定电压。
表3.1.1二极管参数
型号
门槛电压Uth
最高反向工作电压UBR
最大反向电流IBR
正、反向特性曲线
型号
稳定电压Uz
最小稳定电流Izmin(mA)
最大稳定电流Izmax(mA)
稳定特性曲线
3.测试低频小功率管(如3DG6、3AX31)的输入、输出特性、电流放大系数β、穿透电流ICEO、反向击穿电压UCEO及输入电阻。
对两种管型所测结果进行比较。
表3.1.2三极管参数
型号
电流放大系数β
输入电阻rbe
输入特性曲线
输出特性曲线
4.测试场效应管3DJ6输出特性。
表3.1.3场效应管参数
型号
饱和漏电流
夹断电压
转移特性曲线
五、Multisim10仿真分析
1.IV分析仪专门用来分析晶体管的伏安特性曲线,如二极管、NPN管、PNP管、NMOS管、PMOS管等器件。
IV分析仪相当于实验室的晶体管图示仪,需要将晶体管与连接电路完全断开,才能进行IV分析仪的连接和测试。
IV分析仪有三个连接点,实现与晶体管的连接。
启动Multisim10,我们以NPN三极管为例,按图3.1.8所示输入仿真电路。
2.仿真结果
仿真实验结果如图3.1.9所示。
图3.1.8三极管仿真电路图3.1.9仿真结果
六、实验报告要求
1.简述用数字式万用表判别二极管及三极管极性的实验原理;
2.认真记录和整理测量数据,按要求填表并画出特性曲线图;
3.写出实验体会和总结。
七、思考题
1.如何判别二极管、三极管的好坏?
2.在使用BJ-4814型晶体管特性图示仪测试管子的参数时,“峰值电压”如何调节?
八、预习要求
1.预习二极管、三极管的结构特点、工作条件和原理;
2.晶体管特性图示仪的操作方法;
3.预习用万用表测试二极管、三极管的方法。
3.2单级放大电路
单级放大器是最基本的放大器,虽然实用线路中极少用单级放大器,但是它的分析方法、计算公式、电路的调试技术和放大器性能的测量方法等,都带有普遍的意义,适用于多级放大器。
特别注意的是,接线时,应注意与仪器设备相接的电缆线,黑端子是接地端,红端子是信号端,红、黑端子不能颠倒。
3.2.1单级晶体管共射放大电路
一、实验目的
1.熟悉电子元器件和模拟电子实验箱。
2.掌握单级共射放大电路静态工作点的调试及测量方法,分析负载和静态工作点对放大器性能的影响。
3.掌握放大器性能指标(电压放大倍数Av,输入电阻Ri和输出电阻Ro)的测试方法。
二、实验元器件及仪器
1.元器件
三极管3DG61个
可选电容若干
可选电阻5.1KΩ3个,51Ω、47KΩ、24KΩ、1.8KΩ电阻各1个
滑动变阻器500KΩ滑动变阻器,电阻箱1个
2.仪器示波器、毫伏表、直流稳压电源、低频信号源、数字万用表
三、实验原理
阻容耦合共射极放大器是单级放大器中最常见的一种放大器,如图3.2.1所示是一单管共射极放大电路。
其功能是在不失真的情况下,对输入信号进行放大。
(为了用示波器测试方便及记录数据方便起见,对本书实验,交流信号均使用峰峰值)
1.静态工作点
为了使放大器能正常工作,必须设置合适的静态工作点;否则,如果静态工作点设置得偏高或偏低,在输入信号比较大时会造成输出信号的饱和失真(如图3.2.1(a))或截止失真(如图3.2.1(b))。
(a)(b)
图3.2.1静态工作点对uO波形失真的影响
影响静态工作点的因素很多,但当晶体管确定后,主要因素取决于偏置电路,图3.2.2所示电路是采用基极分压式电流负反馈偏置电路,放大器静态工作点Q主要由RB1、RB2、RE、RC及电源电压+VCC所决定。
图3.2.2共射极放大电路
当流过偏置电阻RB1和RB2的电流IR远大于晶体管的基极电流IB(即
)时,则它的静态工作点可用下式估算:
(3.2.1)
(3.2.2)
(3.2.3)
2.交流电压放大倍数Au
交流电压放大倍数是衡量放大电路放大交流信号电压能力重要指标,对图3.2.2所示电路,理论分析可得
(3.2.4)
式中,
为晶体管的输入电阻,
,
为晶体管基区体电阻,约为几十到几百欧。
3.输入电阻
输入电阻Ri的大小表示放大电路从信号源或前级放大电路获取电流的多少。
输入电阻越大,索取前级电流越小,对前级的影响就越小。
(3.2.5)
电阻Ri的测量有两种方法。
方法一,采用串联电阻法,即在放大电路与信号源之间(这时放大器的输入端应去掉分压电路)串入一个已知电阻R(一般选择R的值接近Ri,以减小测量误差,这里选择
)。
输入电阻的测试电路如图3.2.3所示。
注意:
用示波器观察输出波形,在输出波形不失真的情况下分别测出US、Ui的值。
Ri的计算公式为:
(3.2.6)
图3.2.3输入电阻的测量
(一)
方法二,输入电阻测量原理图如图3.2.4所示。
当
时,在输出电压波形不失真的条件下,用示波器测出输出电压uO1;当
时,保持us幅度不变,测出输出电压uO2,计算Ri的公式为:
(3.2.7)
(a)R=0Ω时(b)R=5.1KΩ时
图3.2.4输入电阻的测量
(二)
4.输出电阻
输出电阻
的大小表示电路带负载能力的大小。
输出电阻越小,带负载能力越强。
当
时,放大器可等效成一个恒压源。
(3.2.8)
输出电阻的测量方法
放大器输出电阻的测量方法如图3.2.5所示。
负载电阻RL的取值应接近放大器的输出电阻Ro,以减小测量误差。
分别测量接负载RL时的输出电压UOL和未接负载时的输出电压Uo,输出电阻的计算:
(3.2.9)
(a)空载时(即RL=∞)(b)RL=5.1K时
图3.2.5输出电阻的测量
四、实验任务与步骤
1.静态工作点的设置及测量
(1)电路的连接
①先将直流电源调整到12V(用万用表测量)。
②测量三极管的
值,按图3.2.2连接电路,注意电容器C1、C2、Ce的极性不要接反,检查电路无误后,接通电源。
(2)静态工作点的调整
测量静态工作点的方法是不加入输入信号,将放大器输入端接地。
为了保证输出的最大动态范围而又不失真,往往把静态工作点设置在交流负载线的中点。
调整静态工作点的方法是改变放大器上偏置电阻RB1的大小,即调节电位器的阻值RP的大小。
按表3.2.1用数字万用表测量各静态值,完成表3.2.1的内容。
(例如可以取
左右)
表3.2.1静态工作点的测量
Rp(kΩ)
UBQ(V)
UEQ(V)
UCQ(V)
UBEQ(V)
UCEQ(V)
注:
测量RP的阻值时,应把RP与电路断开(想一想为什么)。
电压放大倍数及输入、输出电阻的测量都是在静态工作点没变化的情况下进行测量的。
2.电压放大倍数的测量
调节信号发生器输出正弦波信号,
,us=10mVP-P~1VP-P之间(即峰峰值),用示波器观察到放大器输出端有放大,且不失真的正弦波形后,可以用示波器测量峰-峰值,求出放大电路的电压放大倍数。
(如果输出信号有失真,则调小信号发生器的输出信号,直到输出无失真为止。
)
(3.2.10)
保持ui不变,改变RL(负载无穷大即断开负载,如图3.2.5所示连接),观察负载电阻的改变对电压放大倍数的影响。
观察示波器,将观测结果记入表3.2.2及表3.2.6中。
计算RL=5.1kΩ时的电压放大倍数。
表3.2.2放大倍数的测量
RL
β
us(V)
ui(V)
uo(V)
Av=uo/ui
计算理论值AV
5.1kΩ
3.观察静态工作点的变化对输出波形的影响
(1)最大不失真输出电压
最大不失真输出电压Uomax,是指不出现饱和失真和截止失真时,放大器所输出的最大不失真输出电压值。
最大不失真输出电压的峰-峰值为放大器的输出动态范围,用UoP-P表示,UoP-P=2Uomax。
测量方法是:
在测量电压放大倍数的基础上,逐渐增加输入信号幅度,同时调节RP,观察输出波形,当输出波形刚要出现失真时的uoP-P。
用万用表测量此时的静态工作点,填入表3.2.3中。
(2)观察静态工作点对输出波形的影响
保持输入信号不变,分别增大和减小Rp,使波形出现失真,绘出uo波形,分析失真原因,说明是饱和还是截至失真,并用万用表测出此时的静态工作点,计入表3.2.3中。
表3.2.3静态工作点对放大器的影响
Rp(Ω)
UBE(V)
UE(V)
Uo波形
失真情况
最大不失真
RP=0Ω
RP>200kΩ
4.输入、输出电阻的测量
(1)测量输入电阻Ri
前面已经讲过输入电阻Ri的测量有两种方法。
注意:
用示波器观察输出波形,在输出波形不失真的情况下分别测出US、Ui的值。
方法一,按图3.2.3所示接线。
用示波器观察输出波形,在输出波形不失真的情况下分别测出US、Ui的值填入表3.2.4中。
方法二,按图3.2.4所示接线。
用示波器观察输出波形,在输出波形不失真的情况下分别测出US、Ui的值填入表3.2.5中。
将两种方法的测量结果计算出的Ri与理论值比较,分析测量误差。
表3.2.4输入电阻的测量一
us(V)
ui(V)
Ri
表3.2.5输入电阻的测量二
uo1(V)
uo2(V)
Ri
(2)测量输出电阻
放大器输出电阻的测量方法如图3.2.5所示。
负载电阻RL的取值应接近放大器的输出电阻Ro,以减小测量误差(比如取RL=5.1KΩ)。
用示波器观察输出波形,在输出波形不失真的情况下用示波器测量出峰峰值。
首先测量RL未接入放大器时的输出电压Uo,保持输入信号不变,接入RL=5.1KΩ后再测量放大器负载上的电压UOL,完成表3.2.6内容。
表3.2.6输出电阻的测量
uO(V)
uOL(V)
RO=(uO/uOL-1)RL
RL=5.1kΩ
RL=1kΩ
五、Multisim10仿真分析
1.启动Multisim10,按图3.2.6所示输入仿真电路。
2.仿真结果
仿真实验结果如图3.2.7所示。
细线波形为输入信号波形,粗线波形为输出信号波形。
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