电子元件的伏安特性测定

电子元件的伏安特性的测定

x

x

图2.5-3电流表外接电路

图2.5-4电流表内接电路

图2.5-3是电流表外接法，图2.5-4是电流表内接法，图中R 0＝200Ω为保护电子元件的限流电阻。由于电流表和电压表内阻的影响，两种接线方式都有系统误差。在外接电路中，电压表测得的是电阻R x 两端的电压。由于电流表外接，电流表测得的就不只是通过电阻R x 的电流，而是通过电压表和电阻的电流之和，用R V 表示电压表的内阻，则

I =I x +I V =I x +(U R V ) 实验测得的电阻值应是：

U U U == R =I I x +U R V I x

⎡R ⎤⎡R ⎤

⋅⎢1+x ⎥＝R x ⋅⎢1+x ⎥ （2.5-1） ⎣R V ⎦⎣R V ⎦

-1-1

由此可见，采用电流表外接法测得的R 值比电阻的真值R x 偏小。这种误差显然是由测

量方法造成的系统误差，由式（2.5-1）式可以看出，当R V >>R x 时，R x ≈U I ，所以电流表外接法适合测低值电阻。

在电流表内接电路中，电流表测出的是通过电阻R x 的电流，而电压表读出的却是电阻R x 和电流表上的电压之和，用R A 表示电流表的内阻，则

U =U x +U A =I ⋅R x +I ⋅R A

实验测得的电阻值应是：

⎡R ⎤U U x +U A ==R x +R A =R x ⋅⎢1+A ⎥ （2.5-2） I I ⎣R x ⎦

由此可见，采用电流表内接法测得的R 值比电阻的真值R x 偏大。只有当R x >>R A 时才

R =

有R x ≈U I ，所以电流表内接法适合测高值电阻。

由上面的讨论可知，由于电压表和电流表内阻的存在，将给电阻的测量引入系统误差。若准确地知道R A 和R V 值，则可根据电路连接的方式，分别由（2.5-1）式或（2.5-2）式算出R x 的值，将系统误差加以修正。从修正公式可以看出，R V 越大，R A 越小，其内阻对测量结果的影响也就越小。

3．电表量程和精度的选择

电表的仪器额定误差为A m K%，其中A m 为m 档的量程，K 为该电表的精度等级，一般分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5和5.0七个级别。所以，在测绘伏安特性曲线时，除了要考虑电表的接入所引起的系统误差外，还必须考虑电表本身的仪器额定误差。

以电流表为例来说明，假设我们用的电流表为1.0级，有1.5mA ，7.5mA 和30mA 三档。正确选择量程可减小误差。例如要测1mA 的电流，用1.5mA 量程，∆I m ax =1. 5mA ⨯1. 0%=0. 015mA ; 用7.5mA 的量程，∆I m ax =7. 5mA ⨯1. 0%=0. 075mA 用30mA 的量程；∆I m ax =30mA ⨯1. 0%=0. 30mA 。可见用1.5mA 量程，测量的精度最高。

电阻的相对不确定度为

⎡u ⎤⎡u 仪（电流表）⎤

U r =⎢仪（电压表） (2.5-3) +⎥⎢⎥U I ⎣⎦⎣⎦

式中u 仪（电压表）和 u 仪（电流表）分别为电压表和电流表的仪器额定误差（只考虑B 类不确定度），U 和I 为某一组测量值。

4．晶体三极管的输出特性曲线和晶体三极管的电流放大系数β。

晶体三极管是由两个P-N 结构成的非线性元件。晶体三极管的基本功能是放大电流作用，通过输入一个小电流信号，可以产生大得多的电流输出。根据P-N 结结构的不同，晶体三极管可分为ＰＮＰ和ＮＰＮ型，其表示符号如图2.5-5所示。图中c 为集电极，e 为发射极，b 为基极。为了实现晶体三极管的放大作用，必须给三极管施以正确的外加电压，使发射结正向偏置，集电结反向偏置。实现上述外加电压的线路，如图2.5-6所示，称为共发射极接法。三极管的放大作用可以用电流放大系数β定量的表示，其定义为集电极电压U 一定的条件下，集电极电流增量ΔI c 与基极电流增量ΔI b 之比，即

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β＝

∆I c ∆I b

U ce 不变

. (2.5-4)

R NPN 型

PNP 型

图2.5-5 晶体三极管

图2.5-6 NPN型三极管共发射极接法

晶体三极管（共发射极）的输出特性是指在基极电流I b 维持不同定值的情况下，晶体管集电极－发射极之间的电压U ce 与集电极电流I c 的关系，输出特性的数学表达式为：

I c =f (I b , U ce )I b （2.5-5）

晶体三极管输出特性的测量电路如图2.5-7所示。电位器R w1和R w2分别用于调节基极电流I b 和集电极电压U ce ，调节R w1, 使基极电流I b 为某一值，通过调节R w2改变集电极电压U ce ，测量不同U ce 对应的集电极电流I c 的一组数据，改变基极电流I b 值，又测出U ce -I c 的另一组数据，如此类推。将这些数据作图，便得到一个输出特性曲线簇。从输出特性曲线上，我们可以用作图的方法得出晶体管（在某状态下）的共发射极电流放大系数β，如图2.5-8所示。

I Δ

图2.5-8共发射极输出特性曲线

图2.5-7晶体三极管输出特性的测量电路

【实验内容】

1．测量线性电阻的伏安特性

选择测量线性电阻和二极管伏安特性的电路，并接入线性电阻（阻值约为100Ω），分别用内接法和外接法测量电阻的伏安特性。注意选择好电压表和电流表的量程：在不超量程的前提下尽可能用小的量程，在同一项测量中不要更改量程。记数时记录指针偏转的格数（注意估读），课后将数据整理到报告上时再将其换算成相应的电压或电流值（下同）。

数据表格样本

电压表的量程：＿＿，精度等级：＿＿; 毫安表的量程：＿＿，精度等级：＿＿; 电阻的标称值：100Ω

2. 测量半导体二极管的正、反向伏安特性

将二极管接入电路，分别测量其正向和反向伏安特性。注意电压表和电流表量程的选择，并注意合理选取测量点。

数据表格样本

＿＿向 电压表的量程：＿＿ 毫安表的量程：＿＿

3. 测量晶体三极管的输出特性曲线

选择测量晶体三极管伏安特性的电路，调节R w1, 使基极电流I b =40.0μA, 并在实验中保持不变，调节R w2，测量不同集电极电压U ce （注意合理选择测量点）所对应的集电极电流I c 。改变基极电流I b 为60.0μA 及80.0μA, 重复上述测量。

数据表格样本

=＿＿ 电压表的量程：＿＿ 毫安表的量程： ＿＿ 微安表量程：＿＿

【数据处理】

1. 画出电流表内、外接法测量线性电阻的伏安特性曲线并从中求出相应的待测电阻值，分别从内、

外接法测量数据中选择一组电压大小相近的数据来计算相对不确定度（方法见（2.5-3）式）。对结果进行比较分析。

2. 画出半导体二极管的正、反向伏安特性曲线，并进行分析。

3. 画出晶体三极管的输出特性曲线并进行分析，选择I b =40.0μA 、80μA 的两条曲线计算U ce =3.5v

时的放大倍数β。 【思考题】

1．能否用实验室的现有器材设计一个测量电表内阻的实验电路？

2．如何根据晶体二极管的正向和反向伏安特性曲线计算晶体二极管的直流电阻R D 、交流电阻r D 、反向饱和电流I R 0等参数？

3．提出一个利用非线性特点的具体应用的设计方案。