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StudentZone—ADALM2000 Activity: The BJT Connected as a Diode 作者：ADI公司 ｜ Doug Mercer，顧問(wèn)研究員；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師 簡(jiǎn)單的NPN二極管連接 目標(biāo)： 本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究將雙極性結(jié)型晶體管(BJT)連接為二極管時(shí)的正向/反向電流與電壓特性。 材料： ► ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊 ► 無(wú)焊面包板 ► 一個(gè)1 kΩ電阻（或其他類(lèi)似值） ► 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904) 說(shuō)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(yàn)室硬件和以下連接來(lái)測(cè)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(cè)量電阻（和晶體管）中的電流。連接示波器通道1 (1+)用于測(cè)量晶體管兩端的電壓。流過(guò)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(jì)算電流。繪制電流與晶體管兩端電壓(VBE)的曲線(xiàn)。沒(méi)有反向流動(dòng)電流。在正向?qū)▍^(qū)域，電壓-電流呈對(duì)數(shù)關(guān)系。如果在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制電流曲線(xiàn)，結(jié)果應(yīng)為直線(xiàn)。
圖3.NPN二極管XY曲線(xiàn)。
圖4.NPN二極管波形。 反向擊穿特性 目標(biāo)： 本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是研究BJT連接為二極管時(shí)發(fā)射極-基極結(jié)的反向擊穿電壓特性。 材料： ► 一個(gè)100 Ω電阻 ► 一個(gè)小信號(hào)PNP晶體管(2N3906) 說(shuō)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(cè)量R1兩端的電壓，從而測(cè)得通過(guò)Q1的電流。 之所以選擇PNP 2N3906而不是NPN 2N3904，是因?yàn)镻NP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(huì)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(cè)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(gè)通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。流過(guò)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(yàn)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(cè)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(duì)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(yàn)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(shí)的電路配置。 材料： ► 一個(gè)1 kΩ電阻 ► 一個(gè)150 kΩ電阻（或100 kΩ與47 kΩ電阻串聯(lián)） ► 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904) ► 一個(gè)小信號(hào)PNP晶體管(2N3906) 說(shuō)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(cè)量電阻兩端的電壓。流過(guò)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(gè)示例中的簡(jiǎn)單二極管連接方案為650 mV。繪制W1掃頻時(shí)Q1的VBE曲線(xiàn)。
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。 VBE乘法器電路 目標(biāo)： 我們已探討了一種能有效降低VBE的方法，本次實(shí)驗(yàn)的目的則是增大VBE，并展示與單個(gè)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(gè)2.2 kΩ電阻 ► 一個(gè)1 kΩ電阻 ► 一個(gè)5 kΩ可變電阻、電位計(jì) ► 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904) 說(shuō)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(jì)R3的滑動(dòng)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.VBE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(cè)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(guò)晶體管的電流是示波器輸入1+和示波器輸入2+測(cè)得的W1兩端的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結(jié)果。 步驟： 開(kāi)始時(shí)，將電位計(jì)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VBE的2倍。將R3設(shè)置為最小值時(shí)，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(shí)，集電極處的電壓應(yīng)為VBE的9/7倍。
圖12.VBE乘法器面包板電路。
圖13.VBE乘法器面包板波形。 問(wèn)題： ► 此VBE乘法器與簡(jiǎn)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(zhuān)區(qū)博客上找到問(wèn)題答案。 作者簡(jiǎn)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(lái)，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(xiàng)專(zhuān)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(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。 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(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab®、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)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(xiàng)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。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。 |
