學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗：將BJT連接為二極管

簡單的NPN二極管連接

目標(biāo)：

本次實(shí)驗的目的是研究將雙極性結(jié)型晶體管(BJT)連接為二極管時的正向/反向電流與電壓特性。

材料：

?   ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊

?   無焊面包板

?   一個1 kΩ電阻（或其他類似值）

?   一個小信號NPN晶體管(2N3904)

說明：

NPN 晶體管的發(fā)射極-基極結(jié)的電流與電壓特性可以使用 ADALM2000 實(shí)驗室硬件和以下連接來測量。使用面包板，將波形發(fā)生器 W1 連接到電阻 R1 的一端。將示波器輸入2+也連接到這里。將Q1的基極和集電極連接到R1的另一端，如圖所示。Q1 的發(fā)射極接地。將示波器輸入2-和示波器輸入1+連接到Q1的基極-集電極節(jié)點(diǎn)。示波器輸入1-也可以選擇接地。

圖1.NPN 二極管連接圖。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波，峰峰值幅度為6 V，偏移為0 V。示波器的差分通道2（2+、2-）用于測量電阻（和晶體管）中的電流。連接示波器通道1 (1+)用于測量晶體管兩端的電壓。流過晶體管的電流是1+和1-之間的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結(jié)果。

圖2.NPN 二極管面包板電路。

步驟：

將捕獲的數(shù)據(jù)加載到電子表格中，計算電流。繪制電流與晶體管兩端電壓(V_BE)的曲線。沒有反向流動電流。在正向?qū)▍^(qū)域，電壓-電流呈對數(shù)關(guān)系。如果在對數(shù)坐標(biāo)系中繪制電流曲線，結(jié)果應(yīng)為直線。

圖3.NPN 二極管 XY 曲線。

圖4.NPN 二極管波形。

反向擊穿特性

目標(biāo)：

本次實(shí)驗的目標(biāo)是研究BJT連接為二極管時發(fā)射極-基極結(jié)的反向擊穿電壓特性。

材料：

?   一個100 Ω電阻

?   一個小信號PNP晶體管(2N3906)

說明：

使用面包板，將波形發(fā)生器輸出連接到100 Ω串聯(lián)電阻R1的一端以及 Q1 的基極和集電極，如圖2所示。發(fā)射極連接到-5 V固定電源。將示波器通道1 (1+) 連接到基極-集電極節(jié)點(diǎn)，1-連接到發(fā)射極節(jié)點(diǎn)。示波器通道2用于測量 R1 兩端的電壓，從而測得通過Q1的電流。 

之所以選擇PNP 2N3906而不是NPN 2N3904，是因為 PNP 發(fā)射極-基極擊穿電壓小于 ADALM2000 可產(chǎn)生的+10 V最大值，而NPN的擊穿電壓可能會高于10V。

圖5.PNP 發(fā)射極-基極反向擊穿配置。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波，峰峰值幅度為10 V，偏移為0 V。示波器通道1 (1+)用于測量電阻兩端的電壓。其設(shè)置應(yīng)配置為將通道2跨接到電阻R1的兩端（2+、2-）。兩個通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。流過晶體管的電流是2+和2-之間的電壓差除以電阻值(100 Ω)的結(jié)果。

圖6.PNP發(fā)射極面包板電路。

步驟：

實(shí)驗室硬件電源將可用的最大電壓限制為小于10V。許多晶體管的發(fā)射極-基極反向擊穿電壓都大于此電壓。在圖6所示的配置中，可以測量0 V至10 V（W1峰峰值擺幅）之間的電壓。

圖7.PNP發(fā)射極波形。

捕獲示波器波形并將其導(dǎo)出到電子表格中。對于本示例中使用的PNP晶體管2N3906，發(fā)射極-基極結(jié)擊穿電壓約為8.5V。

降低二極管的有效正向電壓

目標(biāo)：

本次實(shí)驗的目標(biāo)是研究一種正向電壓特性小于BJT連接作為二極管時的電路配置。

材料：

?   一個1 kΩ電阻

?   一個150 kΩ電阻（或100 kΩ與47 kΩ電阻串聯(lián)）

?   一個小信號NPN晶體管(2N3904)

?   一個小信號PNP晶體管(2N3906)

說明：

連接面包板，將波形發(fā)生器W1連接到串聯(lián)電阻R1的一端以及NPN Q1的集電極和PNP Q2的基極，如圖8所示。Q1的發(fā)射極接地。Q2的集電極連接到Vn (5 V)。電阻R2的一端連接到Vp (5 V)。R2的另一端連接到Q1的基極和Q2的發(fā)射極。示波器通道2 (2+)的單端輸入連接到Q1的集電極。

圖8.降低二極管的有效正向壓降所需的配置圖。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波，峰峰值幅度為8 V，偏移為2 V。示波器通道2 (2+)用于測量電阻兩端的電壓。流過晶體管的電流是示波器輸入1+和1-之間的電壓差除以電阻值(1kΩ)的結(jié)果。

步驟：

現(xiàn)在，二極管的導(dǎo)通電壓約為100 mV，而第一個示例中的簡單二極管連接方案為650 mV。繪制W1掃頻時Q1的 V_BE 曲線。

圖9.降低二極管有效正向壓降的面包板電路。

圖10.降低二極管有效正向壓降的波形。

V_BE 乘法器電路

目標(biāo)：

我們已探討了一種能有效降低 V_BE 的方法，本次實(shí)驗的目的則是增大 V_BE，并展示與單個BJT連接為二極管的方案相比更大的正向電壓特性。

材料：

?   兩個2.2 kΩ電阻

?   一個1 kΩ電阻

?   一個5 kΩ可變電阻、電位計

?   一個小信號NPN晶體管(2N3904)

說明：

連接面包板，將波形發(fā)生器W1連接到電阻R1的一端，如圖11所示。Q1的發(fā)射極接地。電阻R2、R3和R4構(gòu)成分壓器，電位計R3的滑動端連接到Q1的基極。Q1的集電極連接到R1的另一端和R2處的分壓器頂端。示波器通道2 (2+)連接到Q1的集電極。

圖11. V_BE 乘法器配置。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為2 V。示波器通道單端輸入2+用于測量晶體管兩端的電壓。其設(shè)置應(yīng)配置為通道1+連接發(fā)生器W1以顯示輸出，通道2+連接Q1的集電極。流過晶體管的電流是示波器輸入1+和示波器輸入2+測得的W1兩端的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結(jié)果。

步驟：

開始時，將電位計R3設(shè)置為其范圍的中間值，Q2集電極處的電壓應(yīng)大約為 V_BE 的2倍。將R3設(shè)置為最小值時，集電極處的電壓應(yīng)為VBE的9/2（或4.5）倍。將R3設(shè)置為最大值時，集電極處的電壓應(yīng)為 V_BE 的9/7倍。

圖12.V_BE 乘法器面包板電路。

圖13.V_BE 乘法器面包板波形。

問題：

?   此 V_BE 乘法器與簡單的二極管連接的晶體管相比，其電壓與電流之間的特性如何？

您可以在 學(xué)子專區(qū)博客 上找到問題答案。

 作者簡介

Doug Mercer 于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入 ADI 公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任 ADI 顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為 RPI ECSE 系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus 現(xiàn)為 ADI 公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為 Circuits from the Lab^?、QA 自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟 ADI 公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。