ADALM2000 實驗：將 BJT 連接為二極管
本文作者：ADI公司 ｜ ?Doug Mercer，顧問研究員；Antoniu Miclaus，系統應用工程師
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簡單的NPN二極管連接
目標：本次實驗的目的是研究將雙極性結型晶體管(BJT)連接為二極管時的正向/反向電流與電壓特性。
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材料：
??ADALM2000主動學習模塊
??無焊面包板
??一個1 kΩ電阻（或其他類似值）
??一個小信號NPN晶體管(2N3904)
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說明
NPN晶體管的發射極-基極結的電流與電壓特性可以使用ADALM2000實驗室硬件和以下連接來測量。使用面包板，將波形發生器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-集電極節點。示波器輸入1-也可以選擇接地。
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硬件設置
波形發生器配置為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-）用于測量電阻（和晶體管）中的電流。連接示波器通道1 (1+)用于測量晶體管兩端的電壓。流過晶體管的電流是1+和1-之間的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結果。
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步驟
將捕獲的數據加載到電子表格中，計算電流。繪制電流與晶體管兩端電壓(VBE)的曲線。沒有反向流動電流。在正向導通區域，電壓-電流呈對數關系。如果在對數坐標系中繪制電流曲線，結果應為直線。
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反向擊穿特性
目標：本次實驗的目標是研究BJT連接為二極管時發射極-基極結的反向擊穿電壓特性。
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材料
??一個100 Ω電阻
??一個小信號PNP晶體管(2N3906)
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說明
使用面包板，將波形發生器輸出連接到100 Ω串聯電阻R1的一端以及Q1的基極和集電極，如圖2所示。發射極連接到-5 V固定電源。將示波器通道1 (1+) 連接到基極-集電極節點，1-連接到發射極節點。示波器通道2用于測量R1兩端的電壓，從而測得通過Q1的電流。
之所以選擇PNP 2N3906而不是NPN 2N3904，是因為PNP發射極-基極擊穿電壓小于ADALM2000可產生的+10 V最大值，而NPN的擊穿電壓可能會高于10V。
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硬件設置
波形發生器配置為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+)用于測量電阻兩端的電壓。其設置應配置為將通道2跨接到電阻R1的兩端（2+、2-）。兩個通道均應設置為每格1 V。流過晶體管的電流是2+和2-之間的電壓差除以電阻值(100 Ω)的結果。
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步驟
實驗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，可以測量0 V至10 V（W1峰峰值擺幅）之間的電壓。
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捕獲示波器波形并將其導出到電子表格中。對于本示例中使用的PNP晶體管2N3906，發射極-基極結擊穿電壓約為8.5V。
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降低二極管的有效正向電壓
目標：本次實驗的目標是研究一種正向電壓特性小于BJT連接作為二極管時的電路配置。
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材料
??一個1 kΩ電阻
??一個150 kΩ電阻（或100 kΩ與47 kΩ電阻串聯）
??一個小信號NPN晶體管(2N3904)
??一個小信號PNP晶體管(2N3906)
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說明
連接面包板，將波形發生器W1連接到串聯電阻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的發射極。示波器通道2 (2+)的單端輸入連接到Q1的集電極。
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硬件設置
波形發生器配置為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+)用于測量電阻兩端的電壓。流過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)的結果。
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步驟
現在，二極管的導通電壓約為100 mV，而第一個示例中的簡單二極管連接方案為650 mV。繪制W1掃頻時Q1的VBE曲線。
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VBE乘法器電路
目標：我們已探討了一種能有效降低VBE的方法，本次實驗的目的則是增大VBE，并展示與單個BJT連接為二極管的方案相比更大的正向電壓特性。
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材料
??兩個2.2 kΩ電阻
??一個1 kΩ電阻
??一個5 kΩ可變電阻、電位計
??一個小信號NPN晶體管(2N3904)
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說明
連接面包板，將波形發生器W1連接到電阻R1的一端，如圖11所示。Q1的發射極接地。電阻R2、R3和R4構成分壓器，電位計R3的滑動端連接到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。
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硬件設置
波形發生器配置為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+用于測量晶體管兩端的電壓。其設置應配置為通道1+連接發生器W1以顯示輸出，通道2+連接Q1的集電極。流過晶體管的電流是示波器輸入1+和示波器輸入2+測得的W1兩端的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結果。
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步驟
開始時，將電位計R3設置為其范圍的中間值，Q2集電極處的電壓應大約為VBE的2倍。將R3設置為最小值時，集電極處的電壓應為VBE的9/2（或4.5）倍。將R3設置為最大值時，集電極處的電壓應為VBE的9/7倍。
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問題：此VBE乘法器與簡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？
您可以在學子專區博客上找到問題答案。
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作者簡介
Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
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Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。
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簡單的NPN二極管連接
目標：本次實驗的目的是研究將雙極性結型晶體管(BJT)連接為二極管時的正向/反向電流與電壓特性。
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材料：
??ADALM2000主動學習模塊
??無焊面包板
??一個1 kΩ電阻（或其他類似值）
??一個小信號NPN晶體管(2N3904)
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說明
NPN晶體管的發射極-基極結的電流與電壓特性可以使用ADALM2000實驗室硬件和以下連接來測量。使用面包板，將波形發生器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-集電極節點。示波器輸入1-也可以選擇接地。
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?圖1.NPN二極管連接圖。
?硬件設置
波形發生器配置為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-）用于測量電阻（和晶體管）中的電流。連接示波器通道1 (1+)用于測量晶體管兩端的電壓。流過晶體管的電流是1+和1-之間的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結果。
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?圖2.NPN二極管面包板電路。
步驟
將捕獲的數據加載到電子表格中，計算電流。繪制電流與晶體管兩端電壓(VBE)的曲線。沒有反向流動電流。在正向導通區域，電壓-電流呈對數關系。如果在對數坐標系中繪制電流曲線，結果應為直線。
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?圖3.NPN二極管XY曲線。
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?圖4.NPN二極管波形。
?反向擊穿特性
目標：本次實驗的目標是研究BJT連接為二極管時發射極-基極結的反向擊穿電壓特性。
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材料
??一個100 Ω電阻
??一個小信號PNP晶體管(2N3906)
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說明
使用面包板，將波形發生器輸出連接到100 Ω串聯電阻R1的一端以及Q1的基極和集電極，如圖2所示。發射極連接到-5 V固定電源。將示波器通道1 (1+) 連接到基極-集電極節點，1-連接到發射極節點。示波器通道2用于測量R1兩端的電壓，從而測得通過Q1的電流。
之所以選擇PNP 2N3906而不是NPN 2N3904，是因為PNP發射極-基極擊穿電壓小于ADALM2000可產生的+10 V最大值，而NPN的擊穿電壓可能會高于10V。
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?圖5.PNP發射極-基極反向擊穿配置。
?硬件設置
波形發生器配置為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+)用于測量電阻兩端的電壓。其設置應配置為將通道2跨接到電阻R1的兩端（2+、2-）。兩個通道均應設置為每格1 V。流過晶體管的電流是2+和2-之間的電壓差除以電阻值(100 Ω)的結果。
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?圖6.PNP發射極面包板電路。
步驟
實驗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，可以測量0 V至10 V（W1峰峰值擺幅）之間的電壓。
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?圖7.PNP發射極波形。
?捕獲示波器波形并將其導出到電子表格中。對于本示例中使用的PNP晶體管2N3906，發射極-基極結擊穿電壓約為8.5V。
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降低二極管的有效正向電壓
目標：本次實驗的目標是研究一種正向電壓特性小于BJT連接作為二極管時的電路配置。
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材料
??一個1 kΩ電阻
??一個150 kΩ電阻（或100 kΩ與47 kΩ電阻串聯）
??一個小信號NPN晶體管(2N3904)
??一個小信號PNP晶體管(2N3906)
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說明
連接面包板，將波形發生器W1連接到串聯電阻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的發射極。示波器通道2 (2+)的單端輸入連接到Q1的集電極。
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?圖8.降低二極管的有效正向壓降所需的配置圖。
?硬件設置
波形發生器配置為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+)用于測量電阻兩端的電壓。流過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)的結果。
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步驟
現在，二極管的導通電壓約為100 mV，而第一個示例中的簡單二極管連接方案為650 mV。繪制W1掃頻時Q1的VBE曲線。
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?圖9.降低二極管有效正向壓降的面包板電路。
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?圖10.降低二極管有效正向壓降的波形。
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VBE乘法器電路
目標：我們已探討了一種能有效降低VBE的方法，本次實驗的目的則是增大VBE，并展示與單個BJT連接為二極管的方案相比更大的正向電壓特性。
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材料
??兩個2.2 kΩ電阻
??一個1 kΩ電阻
??一個5 kΩ可變電阻、電位計
??一個小信號NPN晶體管(2N3904)
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說明
連接面包板，將波形發生器W1連接到電阻R1的一端，如圖11所示。Q1的發射極接地。電阻R2、R3和R4構成分壓器，電位計R3的滑動端連接到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。
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?圖11.VBE乘法器配置。
?硬件設置
波形發生器配置為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+用于測量晶體管兩端的電壓。其設置應配置為通道1+連接發生器W1以顯示輸出，通道2+連接Q1的集電極。流過晶體管的電流是示波器輸入1+和示波器輸入2+測得的W1兩端的電壓差除以電阻值(1 kΩ)的結果。
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步驟
開始時，將電位計R3設置為其范圍的中間值，Q2集電極處的電壓應大約為VBE的2倍。將R3設置為最小值時，集電極處的電壓應為VBE的9/2（或4.5）倍。將R3設置為最大值時，集電極處的電壓應為VBE的9/7倍。
?圖12.VBE乘法器面包板電路。
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?圖13.VBE乘法器面包板波形。
?問題：此VBE乘法器與簡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？
您可以在學子專區博客上找到問題答案。
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作者簡介
Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
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Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。