基于NI Multisim 10與LabVIEW的單結(jié)晶體管伏安特性測試

摘 要:在傳統(tǒng)的單結(jié)晶體管伏安特性測試實驗中，通常需要直流電源與晶體管圖示儀配合使用。晶體管圖示儀沒有相應(yīng)的器件插孔，測試很不方便。另外，因晶體管圖示儀的頻率特性低，無法顯示單結(jié)晶體管伏安特性的負(fù)阻區(qū)，給理解其特性曲線帶來了困難。為了降低實驗成本，簡化實驗操作過程，采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計單結(jié)晶體管伏安特性測試儀，可以完整地顯示其特性曲線，且方便于讀取峰點與谷點的電壓與電流值。

關(guān)鍵詞:單結(jié)晶體管; 伏安特性;Multisim 10; 虛擬儀器; LabVIEW

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)10-0149-03

Volt-ampere Characteristic Testing ofUnijunction Transistor

Based on NI Multisim10 and LabVIEW

ZONG Ai-qin

(School of High Tech.， Shanghai Maritime University， Shanghai 200136， China)

Abstract:In a traditional UTJ V-I characteristic testing experiment， DC and transistor curve tracer need to be used， but these is no corresponding socket on the tracer， the testing is very inconvenient. Since the tracer has the low-frequency characteristic， a negative resistance zone of UTJ V-I characteristicscan not be displayed， which makes it difficult to understand its characteristic curve. In order to reduce experimental costs and simplify the process of operation，it is necessary to design a UTJ V-I characteristic tester based on virtual instrument technology. It can display a UTJ V-I characteristic curve completely， and read voltage and current valus atthe peak point and valley point easily.

Keywords:UTJ; volt-ampere characteristic; Multisim10; virtualinstrument; LabVIEW

單結(jié)晶體管是近幾年發(fā)展起來的一類新型電子器件，它具有一種重要的電氣性能，即負(fù)阻特性，可以大大簡化自激多諧振蕩器、階梯波發(fā)生器及定時電路等多種脈沖產(chǎn)生單元電路的結(jié)構(gòu)，故而應(yīng)用十分廣泛。了解單結(jié)晶體管的伏安特性曲線，是理解及設(shè)計含單結(jié)晶體管電路工作原理的基礎(chǔ)。

在傳統(tǒng)的單結(jié)晶體管伏安特性測試實驗中，通常需要直流電源與晶體管圖示儀兩種設(shè)備配合使用，然而圖示儀沒有相應(yīng)的器件插孔，測試很不方便。另外，因圖示儀的頻率特性低，無法顯示單結(jié)晶體管伏安特性的負(fù)阻區(qū)，這給理解其特性曲線帶來困難。可以利用Multisim 10與LabVIEW結(jié)合[1]完整地顯示其特性曲線，且方便于讀取峰點與谷點的電壓及電流值。

1 用Multisim 10進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[2]

Multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，但沒有晶體管圖示儀，只能測試晶體三極管、PMOS和NMOS伏安特性曲線，不具備測試單結(jié)晶體管的伏安特性的功能。可以利用Multisim 10強大的仿真功能，對單結(jié)晶體管的測試電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1 單結(jié)晶體管的測試電路[3]

單結(jié)晶體管的伏安特性測試條件是當(dāng)?shù)诙鶚OB2與第一基極B1之間的電壓VBB固定時，測試發(fā)射極電壓VE和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系。

在Multisim 10中畫出單結(jié)晶體管的測試電路，如圖1所示。選取2N6027管為測試管，圖1中4號線接發(fā)射極E;3號線接第二基極B2;0號線接第一基極B1;電壓源V1和V2的數(shù)值不固定，可在直流掃描時進(jìn)行修改。

1.2 單結(jié)晶體管測試電路的直流掃描分析[4]

Multisim 10可同時對2個直流源進(jìn)行掃描，仿真時，選擇V2直流源，掃描曲線的數(shù)量等于V2直流源的采樣點數(shù)。每條曲線相當(dāng)于V2直流源取某個電壓值時，對V1直流源進(jìn)行直流掃描分析所得的曲線。橫坐標(biāo)是V2，縱坐標(biāo)是V(4)電壓(即VE)和I(V2)電流(即IE)，不符合單結(jié)晶體管伏安特性VE與IE之間的關(guān)系曲線，即直流掃描曲線不能直觀地反映VE與IE之間的關(guān)系，必須進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

圖1 單結(jié)晶體管伏安測試電路

1.3 單結(jié)晶體管測試數(shù)據(jù)的后處理[5]

可采用Multisim 10提供的后處理功能與直流掃描功能相配合，將采集的實驗數(shù)據(jù)輸出到Excel電子表格中，如圖2所示。在Excel表中，X-Trace欄顯示的是變化的V2電壓值;Y-Trace顯示的是不同V2電壓下，I(V2)的電流值和V(4)的電壓值，因為每個點均有橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的值，所以會出現(xiàn)多次的X-Trace欄。至此，由Multisim10進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集工作已經(jīng)結(jié)束。

圖2 數(shù)據(jù)采集Excel表

2 用LabVIEW顯示單結(jié)晶體管伏安特性

LabVIEW的主要特點是用戶可依托計算機的資源構(gòu)建虛擬儀器，以代替實際儀器完成測試和測量任務(wù)。在LabVIEW中，開發(fā)程序都被稱為VI(虛擬儀器)，其擴展名默認(rèn)為.vi。所有的VI都包括前面板(front panel)、框圖(block diagram)及圖標(biāo)和連接器窗格(icon and connector pane)3部分。虛擬儀器的交互式用戶接口被稱為前面板，它模仿了實際儀器的面板[6]。

Multisim 10采集的數(shù)據(jù)為Excel電子表格數(shù)據(jù)，1個點1對坐標(biāo)，是輸入電壓V2與I(V2)及輸入電壓V2與V(4)的關(guān)系，而單結(jié)晶體管的伏安特性描述的是電壓V(4)，即VE與電流I(V2)，即IE之間的關(guān)系，因此不能直接用Multisim 10采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以通過LabVIEW進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的提取。

2.1 LabVIEW軟件程序開發(fā)[7]

LabVIEW程序設(shè)計具有結(jié)構(gòu)化和層次化的特征。通過采用模塊化的設(shè)計方法，一個應(yīng)用程序可以分為許多個相對獨立的模塊，每個模塊實現(xiàn)特定的功能。通過對模塊的不同管理和組合，可以完成各種復(fù)雜VI的程序設(shè)計。當(dāng)程序規(guī)模較大，或有多個相同的處理模塊時，用戶可以為這些模塊設(shè)計一個子程序，即子VI。子VI類似于傳統(tǒng)文本語言的子程序，它可以被多次調(diào)用，而不用重新編寫代碼，這使得設(shè)計復(fù)雜的重復(fù)性動作變得更加容易，應(yīng)用程序的維護(hù)更加簡單。

創(chuàng)建應(yīng)用程序時，通常從頂層VI開始，為應(yīng)用程序定義輸入和輸出，然后構(gòu)建子VI，完成對流過框圖數(shù)據(jù)流的必要操作。數(shù)據(jù)顯示程序的設(shè)計層次如圖3所示，圖中自創(chuàng)文件主要有三個，低層文件SN TRAN、中層文件SM、高層文件UTJ VI。

圖3 單結(jié)晶體管伏安特性顯示程序結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)顯示程序結(jié)構(gòu)中子程序介紹[8]

SN TRAN子程序功能:字符串轉(zhuǎn)換子程序，讀取含有以逗號、換行或其他非數(shù)字字符分隔的數(shù)字ASCII字符串，并將其轉(zhuǎn)換為一個數(shù)組，采用該子程序可以將Multisim 10中采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LabVIEW中可以讀取的數(shù)據(jù)，其程序框圖如圖4所示。

圖4 字符串轉(zhuǎn)換子VI框圖

SM掃描子VI功能:將采集的數(shù)據(jù)文件讀入，并可以顯示出數(shù)據(jù)或波形，其程序框圖如5所示。經(jīng)SN TRAN轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)可以用數(shù)值方式顯示兩個量之間的對應(yīng)關(guān)系;也可以作為圖形直觀地顯示兩個量之間的變化趨勢。UTJ VI單結(jié)晶體管顯示子VI功能:顯示單結(jié)晶體管VE和IE之間的變化趨勢，程序框圖如圖6所示。其前面板顯示的單結(jié)晶體管伏安特性曲線如圖7所示。

2.2 單結(jié)晶體管伏安特性參數(shù)的讀取[9]

游標(biāo)是圖形的特殊個性化特征，利用圖形的游標(biāo)能夠準(zhǔn)確地讀出曲線上任何一點的數(shù)據(jù)，如圖7所示。這里增加了兩個游標(biāo)，分別命名為P:VPIP和V:VVIV，且可以設(shè)置成在圖中顯示，這樣既可直觀地看出具體點的標(biāo)記。名稱后面的數(shù)據(jù)分別表示橫坐標(biāo)電壓和縱坐標(biāo)電流的數(shù)值，且數(shù)據(jù)精度可以根據(jù)需要設(shè)置。因單結(jié)晶體管的反向漏電流很小，只是微安級，所以應(yīng)將精度設(shè)置大些，才能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化。移動游標(biāo)，可以讀出任意點的坐標(biāo)，這樣方便于讀數(shù)，游標(biāo)的形狀、顏色均可以改變，增加了使用的靈活性。

圖5 掃描子VI程序框圖

圖6 單結(jié)晶體管伏安特性顯示程序框

圖7 單結(jié)晶體管伏安特性顯示程序前面板

2.3 單結(jié)晶體管伏安特性分析[10]

截止區(qū) 當(dāng)加在第二基極與第一基極間的電壓VBB固定時，等效電路中A點對B1的電壓UA=ηVBB為定值;當(dāng)VE較小，且VEVA時，IE開始大于零。由于硅二極管的正向壓降為0.7 V，所以IE不會顯著的增加，該電壓稱為峰值電壓VP，圖中顯示為VP=6.538 54 V，對應(yīng)的電流稱為峰值電流IP，圖中顯示為IP=0.000 249 A=0.25 mA，這一區(qū)域稱為截止區(qū)，即P點前區(qū)。因為數(shù)值太小，從曲線上看不出來變化趨勢。

負(fù)阻區(qū) 當(dāng)VE繼續(xù)增加，且VE >VA時，管子轉(zhuǎn)向?qū)ǎ琍N結(jié)電流開始顯著增加，這時將有大量的空穴進(jìn)入基區(qū)，使E，B1間的載流子大量增加，RB1迅速減小，而RB1的減小又使VA降低，導(dǎo)致IE又進(jìn)一步加大，這種正反饋的過程，使IE急劇增加，VA下降，此時單結(jié)晶體管呈現(xiàn)了負(fù)阻特性，如圖中曲線的P~V段。到了“V”點，負(fù)阻特性結(jié)束，V點電壓VV稱為谷點電壓。前面板中V點坐標(biāo)顯示為VV=0.867 417 V，對應(yīng)的電流稱為谷點電流IV(IV=0.057 295 A=57.29 mA)。

飽和區(qū) 過了谷點V之后，繼續(xù)增加VE，IE～VE曲線的形狀接近二極管導(dǎo)通時的正向特性曲線，如曲線“V”點向上段，此時稱為飽和區(qū)。

當(dāng)改變VBB電壓時，即改變了閾值電壓VA，此時曲線的峰點電壓也隨之改變。

3 結(jié) 語

Multisim 10與LabVIEW相結(jié)合，利用子程序做成測試單結(jié)晶體管弛張振蕩電路中電容器的充放電尖脈沖波形，可以彌補普通示波器測試頻帶窄而不能顯示這些波形的缺陷。這種方法還可以推廣到測試并顯示任何電路中任意兩個量之間的關(guān)系，這對分析電路的伏安特性、傳輸特性等具有很大的意義。

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