晶体管开关与限幅钳位器特性探究

一、实验目的

① 观察晶体二极管、晶体三极管的开关特性，熟悉外电路参数变化对晶体管开关特性的影响。

② 掌握限幅器和钳位器的工作原理。

二、实验原理

二极管的开关过程是结电容充、放电和P区、N 区电荷存储与消散的过程。二极管的开启和关断不可能在瞬间完成。如图2.1.1所示，当加在二极管上的电压突然由正向偏置变为反向偏置时，二极管的截止过程存在反向恢复时间t R=ts+tf，其中ts称为存储时间，tf称为下降时间。ts和tf值的大小取决于二极管的结构，同时也与外电路的参数有关。二极管正向电流越大，ts值越大；所加截止偏压越大，ts值越小。t R的存在限制了开关速度的提高，所以应合理选择电路元件参数，减小二极管的开关时间，提高开关速度。

图2.1.1 二级管开关特性

三极管的开关过程主要与三极管内部存储电荷（主要是基区存储电荷）的建立和消散过程有关，因此三极管从截止到饱和与从饱和到截止状态的转换都需要一定的时间。三极管的开关特性如图2.1.2所示，其中开启时间 ton = td（延迟时间）+tr（上升时间）；关闭时间 toff=ts+tf。与二极管的开关参数一样，这些参数也主要取决于晶体管的内部结构，同时与外电路的参数有关。例如，加大基极正向驱动电流可以减小tr，但同时加深了晶体管的饱和程度，ts也随之增加；而若加大反向驱动电流，ts和tf都将减小，但截止程度也相应加深，对减小td不利。开关时间的存在使晶体管开关速度受到限制，为了减小开关时间，应选择合适的负载电阻Rc，减小输出电容Co。此外，在基极串联电阻上并联一个加速电容，或在集电极接入限幅二极管D，都可以使输出波形的边沿得到明显的改善。

图2.1.2 晶体管开关特性

限幅器是一种波形变换电路，可以用二极管和三极管等非线性器件构成。二极管限幅器是利用二极管导通、截止时呈现的阻抗不同来实现限幅的，其限幅电平由外接偏压决定。三极管限幅器则利用三极管的截止特性或饱和特性实现限幅。由于三极管具有倒相作用，截止限幅使输出波形出现平顶，饱和限幅使输出波形出现平底，如同时利用这两个特性，可以实现双向限幅。若使三极管的静态工作点处于负载线线性区的中点，则能实现上、下对称的限幅。

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，从而避免脉冲信号通过阻容耦合电路时产生的波形渐移现象。利用二极管和三极管的非线性特性均可实现对波形的钳位。通常在阻容耦合电路后面并联一个二极管，并加上适当偏压，可以将输出波形的顶部（或底部）钳制在所需的电平上，这种钳位称为顶部（或底部）钳位。

三、实验设备与器件

±5 V直流电源；双踪示波器；连续脉冲源；函数信号发生器；直流数字电压表；2CP22， 3DG6（9013），3DK2，2AK2，电阻及电容若干。

四、实验内容

1．二极管反向恢复时间的观察

按图2.1.3接线，E为偏置电压（0～2 V可调）。

① 输入信号ui为频率f=20 kHz的方波，E调到0 V，用双踪示波器观察和记录输入信号ui和输出信号uo的波形，并读出存储时间ts和下降时间tf的值。

② 改变偏置电压E（由0变到2 V），观察输出波形uo的ts和tf的变化规律，对记录结果进行分析。

图2.1.3 二极管开关特性实验电路

图2.1.4 晶体管开关特性实验电路

2．晶体管开关特性的观察

按图2.1.4接线，输入ui为f = 20 kHz的方波信号。

①将B点接至负电源-EB，使-EB在0～4 V内变化，观察并记录输出信号uo波形的td， tr，ts和tr的变化规律。

② 将B点换接在接地点，在Rb1上并联一个30 pF的加速电容Cb，观察Cb对输出波形的影响，然后将Cb更换成300pF，观察并记录输出波形的变化情况。(www.xing528.com)

③ 去掉Cb，在输出端接入负载CL=30 pF，观察并记录输出波形的变化情况。

④ 在输出端再并联一负载电阻RL=1 kΩ，观察并记录输出波形的变化情况。

⑤ 去掉RL，接入限幅二极管T（2AK2），观察并记录输出波形的变化情况。

3．二极管限幅器

按图2.1.5接线，输入ui为f = 20 kHz，UP-P=4 V的正弦波，令E=2 V，1 V，0 V，-1 V，观察输出波形并作记录。

图2.1.5 二极管限幅器

图2.1.6 二极管钳位器

4．二级管钳位器

按图2.1.6接线，ui为f = 10 kHz的方波信号，令E = 1 V，0 V，-1 V，-3 V，观察输出波形，并列表记录。

5．三极管限幅器

按图2.1.7接线，ui为正弦波，f = 10 kHz，UP-P在0～5 V范围内连续可调，在不同的输入幅度下，观察输出波形uo的变化，并列表记录。

图2.1.7 晶体管限幅器

五、预习要求

① 如何由+5 V和-5 V直流稳压电源获得+3～-5 V连续可调的电源？

② 熟悉二极管、三极管开关特性的表现及提高开关速度的方法。

六、思考题

① 实验中二极管限幅器能实现何种限幅？如果二极管的极性及偏压E的极性都反接，输出波形会出现什么变化？

② 实验中的二级管钳位器能实现何种钳位？如果将二极管及偏压E的极性反接，将会出现什么现象？该电路对电容C和电阻R的取值有何要求？

七、实验报告要求

① 实验测得的波形必须画在坐标纸上，并对它们进行分析讨论。

② 总结外电路元件参数对晶体管开关特性的影响。