晶体管开关特性及其应用实验

实验一　晶体管开关特性及其应用实验

一、实验目的

1．掌握晶体二极管、三极管的开关特性。

2．掌握限幅器、钳位器和反相器的基本工作原理。

3．掌握由晶体管实现的基本逻辑门电路。

二、实验原理

1．晶体二极管的开关特性

图6－1　晶体二极管开关特性

由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同状态的转换过程。如图6－1电路，输入端施加一方波激励信号U_i，由于二极管电容的存在，因而有充电、放电和存储电荷的建立与消散的过程。因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置（＋U₁）变为反向偏置（－U₂）时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流I_R（I_R＝－U₂／R），并维持一段时间t_s（称为存储时间）后，电流才开始减小，再经过t_t（称为渡越时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流0．1I_R，将t_re＝t_s＋t_t叫做反向恢复时间，t_re与二极管的结构有关，PN结面积小，电容小，存储电荷就少，t_s就短，同时也与正向导通电流和反向电流有关。当选定二极管后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。

2．晶体三极管的开关特性

晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和、饱和到截止的状态转换过程，而且这种转换都需要一定的时间才能够完成。如图6－2为晶体三极管开关特性电路图与对应的输入输出波形图，电路的输入端施加一个足够幅度（在－U₂和＋U₁之间变化）的矩形脉冲电压U_i激励信号，则晶体管T的集电极输出电流i_c和输出电压U_o的波形已不是和输入波形一样的理想方波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，上升沿和下降沿都变得缓慢了。为了对晶体三极管开关特性进行定量描述，通常引入以下几个参数来表征：

延迟时间t_d——从＋U₁加入，集电极电流i_c上升到0．1I_cs所需的时间；

上升时间t_r——i_c从0．1I_cs增长到0．9I_cs所需的时间；存储时间t_s——从－U₂加入，集电极电流i_c下降到0．9I_cs所需的时间；

下降时间t_f——i_c从0．9I_cs增长到0．1I_cs所需的时间；

以上参数称为三极管的开关时间参数，它们都是以集电极电流i_c的变化为基准的。通常把t_on＝t_d＋t_r称为开通时间，它反映了三极管从截止到饱和所需的时间，而把t_off＝t_s＋t_f称为关闭时间，它反映了三极管从饱和到截止所需的时间。开关时间和关闭时间总称为三极管的开关时间，它随管子类型不同有很大差别，一般在几十到几百纳秒范围内。

3．利用二极管与三极管的非线性特性，可构成限幅器和钳位器，从而实现基本逻辑电路。

图6－2　晶体三极管开关特性

二极管限幅器是利用二极管导通时和截止时呈现的阻抗不同来实现限幅，其限幅电平由外接偏压决定。三极管则利用其截止和饱和特性实现限幅。钳位的目的是将脉冲波形的顶部或底部钳制在一定的电平上。正是上面这些特性，从而实现基本数子逻辑门电路。相关基础逻辑门电路的实现可参考相关教材，此仅举与门电路说明。图6－3（a）表示由半导体二极管组成的与门电路，图6－3（b）为它的逻辑符号。图中A、B、C为输入端，L为输出端。输入信号为＋5V或0V。与逻辑的要求；只有所有输入端都是高电压时，输出才是高电压，否则输出就是低电压。由此可见，与门几个输入端中，只有加低电压输入的二极管才导通，并把输出L钳制在低电压，而加高电压输入的二极管都截止。在这里所说的低电压和高电压不是一个固定的值，而是一个电压范围，且不同结构（CMOS与TTL）的逻辑门这些技术参数都不一样，这将在下面实验中进行详细学习。

三、实验设备与器件

1．数字逻辑电路实验箱

图6－3　二极管与门

2．1N4148开关二极管（3个）、3kΩ电阻（1个）

3．数字万用表

四、实验预习要求

1．复习晶体管开关特性原理。

2．熟悉基本逻辑门的组成原理。

3．熟悉实验箱基本使用方法和基本使用技巧。

五、实验内容及实验步骤

1．晶体管开关特性实验说明

器件手册中一般都给出了晶体管在一定条件下测出的反向恢复时间和开关时间，一般开关二极管的反向恢复时间在纳秒（ns）数量级，三极管的开关时间在几十到几百纳秒范围内。从纳秒数量级的量纲分析可知测量晶体管开关特性时对仪器要求较高，普通的双踪示波器无法观察和测量到相关参数，故本实验不要求做，使用时查找到相关器件手册即可。若有精密仪器，有兴趣的同学不妨参考图6－1与图6－2中的电路图来设计实验电路，并测量出相关参数记录之。

2．基本逻辑门电路实验

在实验箱元件库模块中按图6－3所示连接实验电路，A、B、C作为输入，用地表示低电压，＋5V表示高电平，根据A、B、C共8种输入情况用数字万用表测量出输出量L的值，并列表记录之。

六、实验报告

1．总结晶体管开关特性。

2．画出二极管或门、三极管反相器的电路图，分析电路实现或门和反相器的原理，并写出相应真值表记录之。