数字电子技术实验原理

数字电子技术实验原理实验2 晶体管性能测试及开关特性研究实验原理1．万用表测量半导体二极管半导体二极管和三极管是最基本和用途最广泛的电子器件。

二极管的基本特性是具有单向导电性，二极管正向偏置时，表现出一个几百欧姆的电阻；当二极管反向偏置时，呈现近似无穷大电阻。

两者测量的阻值相差越大，半导体二极管的性能越好。

二极管的分类有整流二极管、检波二极管、开关二极管、肖特基二极管、稳压二极管、发光二极管等，不同种类的二极管其应用场合不同。

普通小功率二极管的封装一般为玻璃封装和塑料封装。

它们的外壳上均有表示阳极和阴极的标记，标有色道（一般黑色外壳二极管为白色道标记；玻璃外壳二极管为黑色或红色标记）的为阴极极，另一端为阳极；对于贴片二极管，俯视时有色线的一端是阴极极，另一端是阳极。

对于发光二极管，管脚长的是阳极，短的是阴极。

对于无标记或标记不清楚的二极管，可以采用万用表来进行判别。

如果使用指针式模拟万用表，首先将万用表置于电阻档“R×100”或“R×1k”处，将万用表的红、黑两表笔接到二极管的两端进行测量其电阻，记下测量结果；然后将万用表的两表笔对调，再次测量二极管的电阻，若两次测量结果相差很大，说明二极管是好的，并且测量电阻小的那次黑表笔所接的二极管一端是二极管的阳极。

如果使用数字万用表测量二极管，可以直接将数字万用表量程开关打在“”处，将二极管的两端分别接到万用表的红、黑表笔，观察显示屏上的显示数字，正确显示二极管导通数值的那次测量，红表笔对应的是二极管的阳极。

普通硅二极管导通压降为0.7V左右，锗二极管正向压降为0.3V左右，肖特基二极管正向压降为0.4V左右，发光二极管导通压降比较高，且不同颜色的发光二极管导通压降（红色1.5-1.8V、绿色1.6-2.0V、黄色1.6-2.0V、兰色2.2-2.5V、白色3.2-3.6V）不同，对于正向导通压降大于2V以上的发光二极管，有的数字万用表不能直接显示其导通压降数值。

2．万用表测量半导体三极管半导体三极管种类非常多，按其结构分为NPN型和PNP型两大类。

三极管的主要特性是具有放大作用，即当外加偏置电压使三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置时，三极管的集电极电流是其基极电流的β倍，一般小功率三极管的β范围是50~200。

根据三极管的结构特点可使用万用表对其性能做简单的测量。

（1）三极管类型和基极的判定可以把BJT的结构看作是两个串接的二极管，如图2.1（a）所示。

由图可见，若分别测试be、bc、ce之间的正反向电阻，只有ce之间的正反向电阻值均很大（ce之间始终有一个反偏的PN结），由此即可确定c、e两个电极之外的电极是基极b。

然后将万用表的黑表笔接基极，红表笔依次接另外两个电极，测得两个电阻值，若两个电阻值均很小（PN结的正偏电阻），说明是NPN管；若两个电阻值均很大（PN结的反偏电阻），说明是PNP 管。

（a）（b）图2.1（2）三极管集电极和发射极的判定利用BJT 正向电流放大系数比反向电流放大系数大的特点，可以确定e 极和c 极。

如图2.1（b ）所示，将万用表置欧姆档。

若是NPN 管，则黑表笔接假定的c 极，红表笔接假定的e 极，在b 极和假定的c 极之间接一个100k Ω的电阻（亦可用人体电阻代替），读出此时万用表上的电阻值，然后作相反的假设，再按图2.1（b ）接好，重读电阻值。

两组值中阻值小的一次对应的集电极电流较大，电流放大系数较大，说明BJT 处于正向放大状态，该次的假设是正确的。

对于PNP 管，应将红表笔接假定的c 极，黑表笔接假定的e 极，其他步骤相同。

（3）三极管性能的测量测量三极管的性能最好的方法是利用晶体管特性图示仪测量，它可直接将三极管的特性曲线显示在屏幕上，从中可以测量出三极管的电流放大倍数、穿透电流、击穿电压等指标。

使用万用表也可以粗略的判定三极管的性能，例如对NPN 型三极管电流放大倍数的估计是先将三极管的基极开路，黑表笔接集电极，红表笔接发射极，测量其电阻并记下，然后用手将基极与假设的集电极捏紧（三极管两只管脚不能短接），观察表头指针的摆动幅度，其幅度越大，电流的放大倍数越高。

需要说明的是以上测量三极管都是采用模拟式指针万用表，若采用数字式万用表，则红、黑两测试表笔正好与指针式万用表相反。

另外用数字万用表测量三极管的电流放大倍数β非常简单，只需将量程开关置于h FE 处，把三极管插入对应管型插座中，三极管的β值将直接显示出来。

3．二极管的开关特性在数字电路中，二极管常工作在开关状态。

当二极管从导通到截止或从截止到导通所表现出的特性就是其开关特性。

在图2.2所示的电路中，U i 是一开关信号，当U i 从U IH 突变到U IL 时，二极管并不立即截止，而是要经过存储时间t s 、下降时间t f 之后才截止。

在t s 期间二极管是导通的，其电流近等于IL U R -；下降时间t f 是二极管由导通到截止的时间，经过t f 之后，二极管才截止。

t off =t s +t f 称为二极管的关断时间也称反向恢复时间。

t off 与器件的结构、材料有关，也与正向导通电流和反向电流有关。

当V i 从U IL 突变到U IH 时，二极管并不立即导通，而是要经过导通延迟时间t d 、上升时间t r 之后才导通。

t on =t d +t r称为二极管的开通时间。

T on 与器件的结构、材料有关，也与正向驱动电压有关。

二极管的关断时间是影响其开关速度的主要因素。

图2.24．晶体三极管的开关特性 （1）三极管的工作状态三极管在电路中正常的工作状态有截止、放大和饱和三种状态。

对于图2.3所示的电路，当电路参数确定后，改变输入电压的大小，则可使三极管工作在不同的状态，从而得到不同的输出电压值。

① 截止状态。

当输入电压减小使三极管的发射结偏置电压小于其死区电压（硅管约0.5V ，锗管约0.1V ）时，三极管截止。

即 0≈B i ，0≈C i ，CC V V ≈0。

② 放大状态。

增大输入电压V i ，使三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管则处于放大状态，此时B C i i ⋅≈β ，C C CC R i V V ⋅-=0 。

③ 饱和状态。

继续增大输入电压V i ，使三极管的基极电流大于其临界饱和值时，三极管处于饱和状态，该电路的临界基极饱和电流值为 CCCBS R V I β≈。

三极管饱和时输出电压 V V 3.00≤ 。

（2）三极管的开关特性三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通或从饱和导通到截止的转换过程，而这种转换需要一定的时间才能完成。

在图2.3所示电路中，输入一个方波信号（大小在-V 1到+V 1之间变化）。

当V i 从-V 1上跳到+V 1时，集电极电流i C 要经过一定的时间才能达到最大值饱和电流I CS ，t d 是延迟时间，它是从V i 上跳开始到i C 上升到0.1I CS 所需要的时间；t r 称为上升时间，它是i C 从0.1I CS 上升到0.9I CS 所需要的时间。

t on =t d +t r 称为三极管的开通时间。

当V i 从+V 1下跳到-V 1时，集电极电流也是要经过一定的时间才下降到零，t s 是存储时间，它是i C 从I CS 下降到0.9I CS 所需要的时间；t f 是下降时间，它是i C 从0.9I CS 下降到0.1I CS 所需要的时间。

t off =t s +t f 称为三极管的关断时间。

t on 和t off 统称为三极管的开关时间，开关时间越短，其开关速度也就越高，提高开关速度的措施一般有两个，一是选用开关时间短的管子，二是设计合理的电路。

图2.3实验3 集成门电路的参数测试实验原理TTL 和CMOS 集成电路是目前生产量最多、应用最广泛、通用性最强的两大主流数字集成电路，要正确应用它们，首先要熟悉它们的主要参数。

1. TTL 与非门电路的主要参数（1）静态功耗P D 。

指与非门空载时电源总电流与电源电压的乘积，即 CCCC D V I P ⋅=式中I CC 为与非门的所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供的电流。

（2）输出高电平V OH 。

指有一个及以上输入端接地时输出端电压值，一般空载时V OH ≥3.5V ；当输出带拉电流负载时，输出V OH 下降。

对于74LS00产品规范规定，输出高电平的最小值（即标准高电平）等于2.7V ；对于7400产品规定输出高电平的最小值为2.4V 。

（3）输出低电平V OL 。

指全部输入端接高电平或悬空时输出端的电压值，一般空载时，输出电压值比较低。

当输出带灌电流负载时，输出V OL 将上升。

产品规定输出低电平的最大值（即标准低电平）等于0.4V 。

（4）输入低电平电流I iL 指某输入端接地，其余的输入端悬空，输出端空载时，流出该接地输入端的电流。

（5）输入高电平电流I iH 指输入端一端接高电平（V CC ），其余输入端接地时，流过那个接高电平输入端的电流。

一般I iH 非常小。

（6）扇出系数N 扇出系数是表示带负载能力大小的指标，指驱动同类门电路的个数。

由于TTL 门电路的I iL 比I iH 大的多，因此测试时使门电路输出为低电平，其最大允许灌电流负载电流为I oL ，则扇出系数为iL L I I N 0= 。

（7）开门电平V ON 从与非门的电压传输特性曲线上规定，输出为标准低电平电压（0.4V ）时，对应的输入高电平的电压值称为开门电平V ON 。

一般V ON ＜1.8V 。

（8）关门电平V OFF 从与非门的电压传输特性曲线上规定，输出为标准高电平电压（对于74LS00，2.7V ）时，对应的输入低电平的电压值称为关门电平V OFF 。

（9）平均延迟时间t pd 是表示门电路开关速度的指标。

当与非门输入为一方波时，其输出波形的上升沿和下降沿均有一定的延迟时间，输入、输出波形如图3.1 ，平均延迟时间表示为 2pdHpdL pd t t t +=图3.12. CMOS 与非门的主要参数（1）电源电压+V DD 。

普通CMOS 门电路的电源电压V DD 范围较宽，一般在+5~+15V 之间均可工作。

（2）静态功耗P D 。

指在输入全部接高电平时，电源电压与电源总电流的乘积，与TTL 门电路相比CMOS 门电路的静态功耗非常低。

但当输入脉冲时，其动态功耗将随着输入信号频率的增加而增大。

（3）输出高电平V 0H 。

CMOS 门电路的输出高电平电压值比较高，近似等于电源电压值。

（4）输出低电平V 0L 。

CMOS 门电路的输出低电平电压值比较低，近似等于0V 。

（5）开门电平V ON 。

CMOS 与非门的传输特性曲线很陡，在输入电压u I 近似等于V DD /2处附近接近一条垂线，其开门电平接近等于V DD/2。