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單結晶體管是近幾年發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、階梯波發生器及定時電路等多種脈沖產生單元電路的結構，故而應用十分廣泛。了解單結晶體管的伏安特性曲線，是理解及設計含單結晶體管電路工作原理的基礎。在傳統的單結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，無法顯示單結晶體管伏安特性的負阻區，這給理解其特性曲線帶來困難。可以利用Multisim 10與LabVIEW結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進行數據采集 Multisim 10的元器件庫提供數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，對單結晶體管的測試電路進行數據采集。 1.1 單結晶體管的測試電路 單結晶體管的伏安特性測試條件是當第二基極B2與第一基極B1之間的電壓VBB固定時，測試發射極電壓VE和發射極電流IE之間的關系。在Multisim 10中畫出單結晶體管的測試電路，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的數值不固定，可在直流掃描時進行修改。 1.2 單結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，掃描曲線的數量等于V2直流源的采樣點數。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)，不符合單結晶體管伏安特性VE與IE之間的關系曲線，即直流掃描曲線不能直觀地反映VE與IE之間的關系，必須進行進一步的處理。 1.3 單結晶體管測試數據的后處理 可采用Multisim 10提供的后處理功能與直流掃描功能相配合，將采集的實驗數據輸出到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，所以會出現多次的X-Trace欄。至此，由Multisim10進行的數據采集工作已經結束。 2 用LabVIEW顯示單結晶體管伏安特性 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采集的數據為Excel電子表格數據，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)的關系，而單結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之間的關系，因此不能直接用Multisim 10采集的數據進行顯示，可以通過LabVIEW進行相應數據的提取。 2.1 LabVIEW軟件程序開發 LabVIEW程序設計具有結構化和層次化的特征。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類似于傳統文本語言的子程序，它可以被多次調用，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，然后構建子VI，完成對流過框圖數據流的必要操作。數據顯示程序的設計層次如圖3所示，圖中自創文件主要有三個，低層文件SN TRAN、中層文件SM、高層文件UTJ VI。 2.1.1 數據顯示程序結構中子程序介紹 SN TRAN子程序功能：字符串轉換子程序，讀取含有以逗號、換行或其他非數字字符分隔的數字ASCII字符串，并將其轉換為一個數組，采用該子程序可以將Multisim 10中采集的數據轉換成LabVIEW中可以讀取的數據，其程序框圖如圖4所示。 SM掃描子VI功能：將采集的數據文件讀人，并可以顯示出數據或波形，其程序框圖如5所示。經SN TRAN轉換后得到的數據可以用數值方式顯示兩個量之間的對應關系；也可以作為圖形直觀地顯示兩個量之間的變化趨勢。UTJ VI單結晶體管顯示子VI功能：顯示單結晶體管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晶體管伏安特性曲線如圖7所示。 2.2 單結晶體管伏安特性參數的讀取 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據，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。名稱后面的數據分別表示橫坐標電壓和縱坐標電流的數值，且數據精度可以根據需要設置。因單結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，才能體現出數據的變化。移動游標，可以讀出任意點的坐標，這樣方便于讀數，游標的形狀、顏色均可以改變，增加了使用的靈活性。 2.3 單結晶體管伏安特性分析 截止區 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結處于零偏，IE=0。當VE繼續增大，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，這一區域稱為截止區，即P點前區。因為數值太小，從曲線上看不出來變化趨勢。 負阻區 當VE繼續增加，且VE＞VA時，管子轉向導通，PN結電流開始顯著增加，這時將有大量的空穴進入基區，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，此時單結晶體管呈現了負阻特性，如圖中曲線的P～V段。到了“V”點，負阻特性結束，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 過了谷點V之后，繼續增加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。 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 語 Muhisim 10與LabVIEW相結合，利用子程序做成測試單結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系，這對分析電路的伏安特性、傳輸特性等具有很大的意義。 |
