聶 明

(東北石油大學 物理與電子工程學院，黑龍江 大慶 163318)

《電子元器件伏安特性的測定》是大學物理實驗[1-5]課程中的一個基礎實驗項目。在元器件伏安特性曲線的測量上，這種測試方法的優(yōu)點之一是電路簡單，實驗裝置容易獲得，僅需直流穩(wěn)壓電源、磁電式直流電壓表和電流表及滑線變阻器等裝置；二是不論被測器件是線性元件還是非線性元件都能測量。而缺點之一則是由電表輸入阻抗不理想，會引起系統(tǒng)誤差；二是需要人工逐點測試，處理速度慢，并且只有測試完足夠多的數據點，進行描點或擬合作圖后才能看到U-I變化的全貌，實時性較差，不直觀。示波器設置在X-Y工作模式則可描繪任意兩個變量之間的關系，相當于一臺X-Y圖示儀，可組成一個動態(tài)測試系統(tǒng)。因此，作為一個設計性實驗或提高性實驗項目，可以利用示波器來直觀實時地顯示穩(wěn)壓管的伏安特性曲線全貌。這在此前的一些與此相關的資料中，往往不同程度地存在一定的問題，這些問題將在下面闡述。為此，本文設計了一種簡單且有效的雙支路測量電路，這種測量電路在以往的論文資料中未見報道。實驗證明這種測量方法可以解決此類實驗中存在的相關問題，并且這種思路也可借鑒于利用示波器的Y-T模式顯示三極管輸出特性曲線、鐵磁材料磁滯回線等的實驗中，同時此項實驗內容也對訓練學生如何靈活分析處理實際問題大有裨益。

1 實驗電路

在以往的相關資料[6-10]中，利用示波器的X-Y模式顯示二極管伏安特性曲線的實驗電路有3種，如圖1所示。

(a)

(b)

(c)圖1 穩(wěn)壓管伏安特性曲線測量電路

在圖1(a)測量電路中，E為交流信號源，其峰值電壓要略高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，E通過無感的電流取樣電阻R加到被測試管的兩極。對穩(wěn)壓(齊納)二極管D來說，半個周期是正的，而另半個周期是負的，在R中將引起正向和反向電流通過。將電阻R的端電壓施加到示波器的垂直通道CH2(Y)，則熒光屏上的光點會產生上、下位移。所以，垂直偏轉與電流成正比，當R是1 Ω時，垂直刻度能直接地變換成電流。將施加在被測管上的電壓接入示波器的水平通道CH1(X)，控制電子束產生光點的左、右移動，則電子束水平偏轉與電壓成正比。綜上，水平偏轉(電壓)和垂直偏轉(電流)的合成作用使電子束描繪出一個完整的U-I曲線。這種測量方案在原理上是正確的，但是在實際測量中行不通。原因在于，考慮到電氣安全問題，實際使用的儀器，不論是信號發(fā)生器還是示波器等需要市電供電的設備，都是使用通用的單相三線制電源線供電。這樣儀器的殼體接地端都與保護地線相接，并且信號發(fā)生器和示波器的信號輸出及輸入端的同軸電纜卡環(huán)形接口(BNC)的信號地端都是與殼體接地端相連接的。由此可知，圖1(a)中信號發(fā)生器的輸入端B或者C端是接地的，而示波器的兩路輸入端的公共端要選擇電路中的選定的測量接地端A點，這就使得圖中B、A兩點或C、A兩點短接。則示波器輸入端CH1或CH2兩信號之一為零，使得伏安特性曲線無法顯示。

為了解決這種由于測量裝置接地結構帶來的問題，在圖1(a)的信號輸入端與待測元件之間加上一個變壓器T，如圖1(b)所示。使得輸入信號與后級電路電隔離，這樣就解決了上述問題。測量過程中只要設置CH1輸入通道反相，則屏幕即可正確顯示穩(wěn)壓管伏安特性曲線。存在的問題，一是需要增加隔離變壓器這一耦合器件，二是變壓器存在耦合不緊密和有損耗等不理想因素，變壓器T與信號源之間阻抗未必匹配。

另一種解決這個問題的方法如圖1(c)所示，電路中只選一點作為信號源和示波器兩個輸入通道的測量接地端，這樣就解決了圖1(a)電路中存在的問題，不會使取樣電阻R或待測穩(wěn)壓二極管D短接。但這里存在的問題是CH2通道輸入的雖然是代表穩(wěn)壓管電流的電壓信號，可CH1通道輸入的電壓信號可不是待測穩(wěn)壓管的端電壓，而是加于電阻和穩(wěn)壓管的總電壓。所以示波器屏幕實際顯示的是取樣電阻R與待測穩(wěn)壓二極管D串聯組合體的伏安特性曲線，而并非真正的穩(wěn)壓管的伏安特性曲線。圖2是利用數字存儲示波器顯示的穩(wěn)壓管伏安特性曲線。

(a)取樣電阻R較大

(b)取樣電阻R較小圖2 穩(wěn)壓管與電阻串聯組合體的伏安特性曲線

由圖2(a)、(b)可見，在二極管正向導通和反向擊穿前及導通電流較小時，取樣電阻對曲線形狀幾乎沒有影響，兩者沒有差別。而當正向導通和反向擊穿后，導通電流較大時，電阻的影響就凸顯出來了。實驗可見：增大取樣電阻R值，曲線傾角變??；減小取樣電阻R值，曲線傾角變大變陡，更接近真正的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線。

為了解決以上各種測量電路存在的問題，本文提出一種雙支路測量電路，如圖3所示。與上面列舉的各種測量電路相比，這種電路中增加了一個測量支路，并且兩個測量支路中選用的待測穩(wěn)壓二極管相同，兩支路中的電流取樣電阻R阻值也完全相同，但是兩個元件的連接順序調換了一下。信號發(fā)生器的輸出端及示波器兩信號輸入端的接地端都選電路中同一個測量接地點。第一測量支路中的A點信號接入CH1，是信號發(fā)生器輸出正弦激勵信號作用下穩(wěn)壓二極管兩端響應的電壓信號。第二測量支路中的B點信號接入CH2，是正弦激勵信號作用下電流取樣電阻兩端響應的電壓信號。這樣，由A、B兩點輸入示波器水平和垂直通道的信號分別是穩(wěn)壓管的端電壓信號和與流過穩(wěn)壓管電流成比例的電壓信號，所以示波器屏幕顯示的是待測穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。實際接線圖如圖4所示。

圖3 穩(wěn)壓管伏安特性曲線的雙支路測量電路

圖4 雙支路測量電路接線圖

2 穩(wěn)壓管伏安特性曲線的顯示及動態(tài)電阻的測量

利用雙支路測量電路測得的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線如圖5所示，相關信號波形如圖6所示。與圖2中伏安特性曲線不同，圖5是真正的穩(wěn)壓管伏安特性曲線。在圖5和圖6中根據相關曲線可以定量測得正向導通電壓、反向擊穿電壓及最大反向電流等參數。

圖5 穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線

圖6 信號波形

穩(wěn)壓二極管的參數之一動態(tài)電阻rZ，是穩(wěn)壓管在擊穿狀態(tài)下，在穩(wěn)壓區(qū)工作時兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，rZ是工作點處切線斜率的倒數。rZ隨工作電流增大而減小，其值愈小，電流變化時穩(wěn)定電壓UZ的變化愈小，即穩(wěn)壓特性愈好。

穩(wěn)壓管動態(tài)電阻的測量過程如圖7所示。因動態(tài)電阻rZ隨工作電流的不同而不同，必須選定一個特定的位于穩(wěn)壓區(qū)的靜態(tài)工作點。圖7(a)為待測穩(wěn)壓二極管處于穩(wěn)壓區(qū)的特性曲線，圖7(b)為與此對應的選定的一個工作點P。此點設定方法是，示波器兩輸入通道設置為直流耦合，信號發(fā)生器交流信號調至零輸出，通過輸出負直流偏移的調節(jié)，使示波器屏幕亮點調至要求位置，即使此點對應的電壓與取樣電阻R之比等于IP。將示波器兩輸入通道設置為交流耦合，信號發(fā)生器輸出直流偏移量不變，增加正弦交流信號的輸出。注意交流輸出不可過大，不可使二極管電壓信號出現畸變。實驗中若使用的是數字存儲示波器，則可充分利用其信號平均獲取方式及輸入通道的帶寬限制、數字濾波等功能，獲取噪聲干擾盡可能小的信號波形，如圖7(c)所示。利用數字存儲示波器的自動測量功能，測得穩(wěn)壓二極管交流電壓峰峰值Ud和取樣電阻交流電壓峰峰值UR，由下式可計算得到與工作電流IP對應的動態(tài)電阻，即

將圖7(c)測得的Ud=142 mV，UR=1.52 V，r=196.7 Ω代入得rZ=18.4 Ω。

(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓(反向)工作區(qū)

(b)選定的靜態(tài)工作點

(c)微變信號圖7 穩(wěn)壓管動態(tài)電阻的測量

3 結 語

利用示波器顯示電子元器件的伏安特性曲線，可作為一項設計性實驗或示波器應用性實驗項目。示波器顯示二極管伏安特性曲線的優(yōu)點在于方法簡單，圖像清晰，能實時快速顯示正、反向特性的全部信息。為解決以往此項實驗中遇到的相關問題，這里提出一種新的穩(wěn)壓管伏安特性測量電路-雙支路測量電路。這種測量電路是在以往電路的基礎上通過增一個測量支路，形成兩個信號獲取支路，這樣就巧妙地解決了由于信號源和示波器的接地結構帶來的相關問題。利用這種測量電路可以方便快捷地測得穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線，并且不需額外增加任何元器件。這里用雙支路測量電路顯示了穩(wěn)壓管的伏安特性曲線，解釋了相關信號波形，并測量了穩(wěn)壓管在IP狀態(tài)下對應的動態(tài)電阻。

當然還存在一種較復雜的解決此類問題的一種方案[11]，這種方法復雜且需要增加較多的元器件。在具體實驗過程中還可能存在取樣電阻選取不當或外部干擾等問題，見參考文獻[7]?？紤]到穩(wěn)壓二極管存在結電容，測試信號頻率如何選擇，見參考文獻[12]。