童立青，王 勇

(復旦大學信息科學與工程學院，上海 200433)

“模擬與數(shù)字電路實驗”是在學習了“模擬電子”和“數(shù)字電子”課程教學后，開設的一門面向本科生的重要實驗課程［1，2］。

在這門實驗課的教學過程中，三極管特性曲線測試實驗中出現(xiàn)的回掃線問題一直是教學的難點和重點，不僅學生比較困惑而且教師有時也未必非常清楚。本文根據(jù)筆者長期的實驗教學經驗對這個問題進行深入研究，從理論分析、仿真研究和實驗結果驗證來闡述這個問題產生機理及提出解決方案。為學習這門課程的本科生從理論到實踐的綜合應用提供一個模擬電子電路實驗的教學案例［3，4］。

1 三極管特性曲線實驗原理

三極管輸出特性曲線是以基極電流Ib為參變量，反映集電極電流Ic與集電極和發(fā)射極之間電壓VCE的關系曲線，即Ic=f(VCE，Ib)表示的一簇曲線。每一條曲線都表示Ib不變時，Ic和VCE之間的關系。用Y軸表示Ic，X軸表示VCE，若要顯示一簇不同的Ib曲線，基極電流可以按某一固定常量逐級增加階梯數(shù)，集電極電壓可以從零變換到某一電壓又回到零值的波形。具體測試實驗電路結構原理圖如圖1所示。從圖1可知，矩形波發(fā)生電路可以生成不同斜率的鋸齒波，通過一個Rc限流電阻接到被測晶體管的集電極。而由階梯波發(fā)生電路產生的階梯波，當達到一定電壓峰值時，又回復到零值，通過一個Rb限流電阻接到被測三極管的基極。該電路設計就可以測試三極管的特性曲線。

圖1 三極管特性曲線測試實驗結構原理圖

2 掃描回掃線的原理分析

回掃線是由于鋸齒波下降段回掃過快與上升段不一致造成的現(xiàn)象。其本質是由三極管放大倍數(shù)的頻率特性和寄生電容充放電效應所致。三極管放大倍數(shù)為

可見β隨頻率增高而減小，且對鋸齒波來說，存在 β上升＞β下降。

寄生電容的充放電特性分析如圖2所示。在圖2(a)的鋸齒波上升段，當Vce＞Vbe時，Cbe充電，充電電流從Ice限流電阻R流向Cbe。此時IR=β上升Ib+Icbc1，示波器的測量電流值為IR1。相反，在圖2(b)的鋸齒波下降段，因下降速度過大，頻率過高，三極管的放大倍數(shù)β變小。另外當Vbe+Vcbc＞Vce時，放電的電流與 Ice相反。此時的IR2=β下降Ib－Icbc2，示波器的測量電流值為IR2，則IR2＜IR1，在示波器中的波形如圖3所示。兩者的電流差異明顯呈現(xiàn)如圖的回掃線現(xiàn)象。

圖2 三極管回掃線充放電電路

3 抑制回掃線的方法

由于三極管特性測試實驗中出現(xiàn)的回掃線現(xiàn)象，其原因是受三極管放大倍數(shù)β和Cbe充放電特性影響。因此為了消除回掃線現(xiàn)象，應當減小β和Cbe的影響。具體說來，就是使β在鋸齒波上升段和下降段不變或降低寄生電容Cbe的影響。因此，改變下降段速度或使上升和下降速度保持一致。另外，在β不變下使Icbc=Icbc1+Icbc2影響最小。我們結合實驗和仿真提出了三種解決辦法，具體是:①延緩下降沿的速度;②上升段與下降段等時間間隔;③直接選用較小的寄生電容Cbe的三極管。

1)延緩下降沿的速度

延緩下降沿的速度就是降低三極管電流放大倍數(shù)受頻率特性的影響。從圖4(a)中可以看出當下降段的斜率約為18V/μs時，三極管特性曲線中的回掃線較明顯，如圖4(b)所示。原因是此時的β較小且成為主因，Ic線性降低。而從圖5(a)中可以看出，當下降段的斜率約為4V/μs時，三極管特性曲線中的上升段曲線和下降段曲線分離較圖4(a)小很多，如圖5(b)所示?；貟呔€有所改善，但還較明顯。因此改變下降段的斜率能部分抑制回掃線。但由于受實驗中的鋸齒波的斜率及實驗中各種分布電容參數(shù)的影響，只能部分改善回掃線。

圖4 下降沿為18V/μs的三極管特性曲線

2)上升段與下降段時間間隔相等

上升段與下降段時間間隔相等的方法就是使β上升=β下降，具體如圖6所示。從圖6可知當鋸齒波的上升段和下降段接近相等時，回掃線與上升段曲線能近似重合，較圖4和圖5有所改善。而不一致之處主要由電路寄生電容Cbc效應引起，由于

圖5 下降沿為4μs/V的三極管特性曲線

其中，D為鋸齒波的占空比。由于R是限流電阻，是由鋸齒波發(fā)生器的功率大小決定的，要使上升率和下降率相等選擇D=0.5，此時Icbc也恰好最小。

圖6 等上升沿和下降沿的三極管特性曲線

3)降低三極管的電容值Cbe

從上面等上升段與下降段實驗可知，要進一步改善回掃線現(xiàn)象，就要降低Cbc的影響。但三極管型號確定后Cbc就已確定，因此在實驗教學中只能采用仿真的方法進行演示。本文采用PSpice軟件仿真的方法來演示，具體如圖7所示。在圖7(a)中，選用Q2N2222型三極管，仿真軟件系統(tǒng)設定的結電容參數(shù)為Cjc=7.3pF，Cje=22pF，從圖中可以看出在此結電容參數(shù)情況下三極管特性曲線呈現(xiàn)明顯的回掃線。而圖7(b)中的結電容參數(shù)改為Cjc=1pF，Cje=2pF，其特性曲線的回掃線抑制明顯。因此通過仿真的方法也能揭示結電容對回掃線的影響。

圖7 不同Cbe下的三極管仿真特性曲線

4 結語

本文對三極管特性曲線測試實驗課程中出現(xiàn)的回掃線現(xiàn)象進行思考和驗證，使學生能清楚地解釋這一現(xiàn)象。同時通過實驗和仿真的方法能使學生增強信心，獲得從理論學習到實驗驗證的一種論證方法的學習。

［1］ 王勇.模擬與數(shù)字電路實驗［M］.上海:復旦大學出版社，2004.

［2］ 陳光夢.模擬電子學基礎［M］.上海:復旦大學出版社，2009.

［3］ 潘克修.“電子系統(tǒng)綜合設計”實驗課程的教學［J］.南京:電氣電子教學學報，2012，34(6):54-55，79.

［4］ 鄭雪梅，趙彩鳳，吳建強.VFOC變頻器在應用中的問題及解決對策［J］.南京:電氣電子教學學報，2012，34:128-129.