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  現在的電子電路,已走向完全固態電路的階段,而在固態電路中為數極多的晶體──包括各類二極體、電晶體及FET──往往有很大的誤差,雖然這些誤差,在邏輯上、控制或振盪電路中,影響不大,可是一旦將這些晶體用到Hi-Fi用途的線性放大器上來時,同樣的線路、同樣的零件,卻使您裝不出同樣效果的機器,這正是一般初學者視裝製晶體擴大機為畏途之處。

  然而,怎樣來解決這個問題呢?裝配擴大機時,如果對電容、電阻等零件不信任,我們可以一個一個地用三用電表來量,可是對二極體(尤其是偏壓用的)電晶體、FET,卻一點辦法沒有,如果有,便只好用表量量晶體的直流放大係數,然而直流放大係數只代表了某一點的直流狀況,對靜態特性的安排尚能勝任,但擴大機是要工作的,工作時且要在很大的範圍內作直線性的擺動,除非您能在這擺幅內量出每一點的Hfe,否則便無法知曉這顆晶體在什麼時候截流、什麼時候割切,而輕微的非線性更不可察了。

  其次,現在的二極體型號特性極多,每種型號各有不同的用途,有的特性可以查到,有的連編號也沒有,如果不慎將穩壓二極體用之於整流或功率擴大機之偏流電路,則災情之慘重,當可想見。

  凡此問題,假如您有一部晶體特性描繪示波器就可以迎刃而解了。尤有進者,近年來晶體產品的大量生產,舊貨攤上充斥著五花八門各型各類的晶體,價格十分低廉,只欠特性不明,這時您只要有一部描繪器便不愁沒有晶體用了。

晶體特性曲線的構成

  在此,所謂晶體,包括各類二極體,各種三極電晶體及場效應晶體等三種,由於它們的工作任務各異,曲線的構成及代表的意義也不同,在敘述描繪裝製的結構之前,我們應對這些不同的曲線有所認識。

二極體的特性曲線

  一般,不管哪一種二極體的特性曲線,都非常簡單,以X軸代表電壓,Y軸代表電流,換句話說,在二極體的兩端加上一個由0到N伏特的電壓,如果二極體不導電,便呈現一條水平的直線,在某一個電壓起開始導電,便在這個地方開始往上彎曲,那個彎曲高度便代表了在這個電壓時,流過二極體的電流。

  雖然,一般對晶體的測試,都是加給順向電壓的, 但也可以將二極體反轉過來,測驗它的逆向特性。

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  例如: 圖1是一般矽二極整流管的特性曲線,它差不多在0.5到0.6伏特之間開始導電,從這個特性裡我們可以知道,如果我們用這個二極體來當作整流子,當然可以,可是如果用來檢波,就有問題了,因為收音機的中頻輸出,如果不到0.6伏就根本檢不出聲頻信號,如果中頻輸出有2伏,則失真至少也在25%以上,這是一個很驚人的數字了,可是很多人並不察覺。

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  圖2是一枚18V的穩壓二極體,曲線裡我們可以看到它加給順向電壓18伏以上時才開始導電。已知電壓的穩壓二極體,我們可以用來校正示波器水平的刻劃,反之有了準確的刻劃,就可以用它來測試不知特性的其它二極體了。

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   圖3是一般二極體加給逆向電壓時的情形,如果它可以耐過我們給予的電壓,便只呈現水平的一條直線而無任何彎曲,如果它的耐壓值在我們所給予的電壓範圍內,則它會如同圖2一般地向上升起,,此時請您特別注意,很容易將二極體擊毀,試驗時要慢慢地升高電壓,一發現導電時,立即將被測的二極體抽出,再去量一量或算一算到底加了多少電壓。

  那麼我們要怎樣才能獲得這樣的曲線呢?最起碼的,要有一部示波器,示波器的靈敏度不必很高,水平及垂直各有一伏特輸入即可掃滿光幕便可以了,而且因為水平及垂直信號都從外部加入,根本就不必要複雜的時基信號產生器;置於頻率特性的要求更低,因為我們將只用60Hz的交流電源,做全波整流成120Hz的完全脈動電壓為掃描電壓,但是有一點,這個簡單的XY示波器,最好能做直流輸入。

  測試電路的構成及與示波器的連接是這樣的: 如圖4

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  第一、先找一個變壓器,這個變壓器的初級是110V的市電,次級則分成許多檔,例如1V/16V/32V/64V/120V等等(實際製作時將有詳述),用一個多檔的開關來選擇所需的電壓。然後以四個整流二極體(D1~D4)把這個電壓整流成120週的全波脈動電壓,這就是水平掃描的電壓,如果把這個電壓直接接到示波器的X輸入,光幕上就可以打出一條橫線,橫線的長度,代表了電壓,此時我們可以依據已知的電壓來校正示波器上的刻劃。例如我們用的是16V檔那麼16Vx1.414(示波幕能顯示電壓之峰值)就是22.6V,22.6V電壓在三吋管上(實效水平寬度為6cm)掃滿6公分,每公分便代表了3.8V,校正工作完了後,示波器的水平輸入靈敏度控制就不要再動它了。

  第二、把插在示波器上的輸入插子拔下,換到垂直輸入上去,用同樣的方法去校正垂直輸入靈敏度及刻劃,但此時您或者應當使用1伏特的電源,調到每伏特2cm為止(輸入為1.41V則總高度為2.8公分)觀察上比較方便。

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  第三、水平、垂直都經過校正了,此時請案如圖5一般的線路連接,D是待測的二極體,設它是18V的穩壓二極體; R是限流用的電阻,大小視D所能承受的電流而定,如果它是1A級的,我們大概用0.25或0.5安以下的電流來測它比較安全。如為0.25A則限流電阻便為22.6V/0.25A=90Ω; 另一方面對垂直輸入來說,這個電阻的壓降就是垂直的輸入一個90Ω的電阻,當它的兩端呈現1V電壓時,便表示有11mA的電流,而1V的電壓,正好用示波幕上的1cm來代表。圖5的連接,在示波幕上所呈現的現象是如何呢?首先,水平方向不斷的有22.6伏的電壓輸入,因此它可以掃滿6cm,其次,由於D在18V以上開始導電,因此再18V以左的部份即呈一水平之直線,但到了18V以上,D開始導電,R有了壓降其壓降為每11mA 1V,於是這個電壓就傳到水平輸入去,使掃描線開始上升彎曲,每上升1cm即代表了11mA,於是形成了一條曲線。

  第四、但是這個接法是有缺陷的,因為水平掃描永遠是22.6V,而加到D的電壓,卻受R的壓降而減低因此曲線中的電壓並不代表實際加到D上的電路。

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  為了改進這個缺點,我們要把電路改成如圖6一般。這才是正規而理想的接法,由此電路所產生之XY電壓所形成的曲線及其意義,我們不再贅述,相信讀者不難運用自己的思考去瞭解它。

電晶體的特性曲線

  電晶體的基本作用就是放大電流,儘管電晶體的放大電路有很多種接法,但是不管哪一種接法,總是依據圖7這般的電路而來的。也就是當有多少的電流經B流向E時,就可以引起多少的電流由C流向E,這兩者的比例就是Hfe。以公式表之:

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  舉例來說假如我們給基極一個電流Ib=1mA,就刺激了由C到E有1A的電流,很顯然,1A比1mA大了1,000倍;反知我們給基極的電流為0.5mA,Ic也只有0.5A;給Ib=2mA,Ic就有2A。但是事實上,這個晶體是否在任何狀況下都能維持1,000倍的放大率呢?也就是說我們若使Ib為1mA,Ic是否為1A或者使Ib為1A,Ic是否可以到達1,000A?這就不一定了。

  證明它的可能或不可能的方法,只有一個,那就是逐次地加給基極一個不同的電流,例如5uA、10uA、15uA、20uA、25uA......然後看看Ic變化的情形,是不是也按照5mA、10mA、15mA、20mA、25mA而變化?

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  以上測試的結果,如果將它繪成曲線,就如同圖8一樣,垂直軸代表Ic、水平軸代表加給C到E間的電壓即VC,圖中的曲線,則代表當給予5uA、10uA、15uA、20uA......等電流時,VC按水平刻劃增加,Ic按垂直增加的情形。

  這個曲線究竟能給我們什麼呢?

  1、因為每次我們所加的Ib都是按一定的等差級數增加的,所以每條曲線的間隔──代表Ic之增加──也應當很均勻,如果到越高的地方變得間隔越小,就表示這個晶體的線性不好。

  2、每條曲線的末端如有急速的像上彎曲,表示在這一條件下VC到此為止,不能再大,換言之就是一般所謂的耐壓值。

  3、每條曲線如果相當「水平」而不向右上傾斜,表示Ic控制外甚少受VC之影響。

  4、其他特性可由測試之技巧上獲得,例如未插入待測晶體之基極時,所呈現單一曲線的彎曲程度,代表CE間之漏電情形。

  明白了電晶體特性曲線所代表的意義之後,你應當會想到,究竟要怎樣去獲得這個曲線呢?答案很簡單。

  第一、把電晶體由C到E之間,當成一個順向的二極體來對待它,因此可將它接上和測試二極體完全一樣的電路(圖6),將它接上示波器的X、Y輸入點上。此時如果逐次地升高掃描電壓(同時要校正X輸入靈敏度,使保持滿刻度),直到右邊開始翹起時,這一點就是特性表上所稱的VCEO

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  第二、想個辦法加給基極每次增加一點的電流,這裡所謂的想辦法大概有三種,最簡單的一種,是用一定的電壓經過一個可變電阻的限流,來供給Ib(如圖9),只要調動可變電阻,就可以變更Ib值,此辦法每調動可變電阻一次,只能掃出一條曲線,如果你需要八條曲線就要調八次,每次都用照相機拍下來,然後將它們疊在一起,現路雖是簡單,手續卻麻煩透頂,而且最要命的一點,你調完三、四條曲現後,晶體可能發熱,晶體一發熱,各種特性就有了變化。

  其次是最笨的辦法,就是用旋轉的馬達去帶動一個多段開關,開關的每一個接點分別接上安排好了的限流電阻,如此,只要施給開關的主接片一定的電壓,開關每換一檔,就可以給基極不同的電流(如圖10),此法說笨並不笨,只是動手做來太麻煩了。

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  最後一種,為本文想要介紹你製作的主要內容之一,是利用晶體振盪電路,造出一系列逐級上升的電壓,來供給Ib之需,這當然是比較科學的方法,此產生逐級上升電壓的線路,一般稱為階梯波產生器。各種電子技術雜誌屢有介紹,但線路的設計都不能算完整,本文隨後將告訴你一種實用、可靠而且相當完整的線路製作。整個掃描線路的結構如圖11

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FET的特性曲線

  一般使用的FET和電晶體最大不同之處乃是

  1、偏壓是負的──所謂負,意指比源極(S)電壓更低(Nch為更負,Pch為更正),而非如電晶體之基極電位在極射間,且通常離開射極為0.6V。

  2、偏壓越大──意思是離開源極電位越遠──則洩極電流越小,反之當偏壓為零時,洩極電流最大(此即 Idss)。

  3、閘極輸入阻抗極高,不像電晶體一般,基極輸入電阻通常只有幾Ω到幾十Ω。因此在加給閘極階梯偏壓時,應該是純粹的「偏壓」而非如電晶體之「偏流」,它不能運用外接電阻及電晶體之基極輸入電阻來「分流」,而需事先在外部「分壓」。

  FET的特性曲線,外型上看來和電晶體曲線很相似(如圖12)但有不同之處:

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  1、每一曲線所代表的是不同的閘極電壓所刺激出的洩極電流。

  2、越上面的曲線洩流越大偏壓越「小」。

  3、其耐壓則於偏壓越「大」(洩流越小)時越低。

  明白這些不同之後,我們很容易利用晶體特性掃描器略加修改一下,成為FET的掃描器,修改的要點為:

  1、變更階梯電壓之極性,不是逐級上升,而是逐級下降。

  2、更改分流電阻為分壓電阻。

  修改後的結構如圖12

晶體曲線描繪器之構成

  一部完成的晶體曲線描繪器,至少應當包括有三部份電路,即掃描電壓供給器;階梯信號產生器及XY示波器。

  就現市售的晶體曲線描繪器來說,大致分成兩種,一是完整的描繪器,除去包含以上三個電路及必要的控制部份外,更完整一些的還有數字顯示器,可以顯示Ic/cm、Ib/steep、VC/cm並算出β值等附屬電路,使用上極為方便而不易有誤;另外一種為簡易型,包括掃瞄電壓供給器及階梯信號產生器兩個電路,製成如示波器的接合器一般的附件,配合著示波器來使用,這種描繪器使用起來,自然覺得有些礙手礙腳的,除非專為這一部描繪器準備一具XY示波器,但這樣一下來,所費就可能要超過兩萬元了。

  在過去我們所見到的有關自製晶體曲線描繪器的介紹裡,所介紹的多屬於後一種型式的結合,也就是假定你手頭已經有了一部示波器然後以自製的線路配合著示波器來使用,這種方式,除了上述已經述及實在不方便之外,也很浪費,因為描繪器所用的示波器只要最簡單的XY示波器,靈敏度約0.1~0.5V/cm頻率響應由直流到120Hz就足夠應付了。

  以下我們將介紹一種自備有XY示波器的掃描器的裝製方法,這一部掃描器大致上仍由三個部份所構成(如圖13)

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  前面我們已經約略地提過,掃瞄電壓供給器是由一個多抽頭的變壓器經全波橋式整流所組成,設計這部份電流時,大致上要考慮待測晶體的耐壓值(即VCEO)最大集極電流(Icmax)及最大集極損耗等三個因素。

  掃瞄電壓決定了能夠測試的晶體的VCEO值,例如掃描電壓若為24V,則只能觀察VCEO為24V以下的晶體的VCEO值,反之若用24V掃瞄電壓來測試VCEO值僅12V的小晶體,就很可能使晶體受損,所以我們要將電壓分成若干個檔,以適應不同VCEO的被測晶體,其每檔的電壓除參考自己常用或可能使用的晶體的VCEO值外,最好與示波器管面的刻劃間有一定的整數比例,以便於觀察,以下這幾個檔數,是個人依自己需要而設計的,可供參考之用:

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  表中之R.M.S.值為繞製變壓器時,所實際需要的次級抽頭電壓,由此電壓經整流後即可出現峰值的掃瞄電壓,否則假如您繞一組次級為250V的變壓器時,單峰值電壓可能高達350V以上,而刻度上卻只標出250V就很容易使晶體受損,所測結果也不正確。

  電壓檔數既定,接著要估算一下所需電流,現代的大功率晶體,雖然它的Icmax往往大到數十安培以上,事實上,總的集極損耗能達60W或100W的已經很大了,何況一個做甲類放大的晶體,最好不要在超過PCmax的狀態下工作,所以VCEO=200V PCmax=100W的晶體,事實上在150V或180V時能承受0.1~0.2A的電流而不致使溫度急速上升,已經非常不錯了,以此道理,我們可以依據其PCmax而求出各檔的所需電流值。

  但是為了簡化變壓器的繞製手續,可將數檔合用一個電流值,圖14是一個變壓器的設計例:

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  在整個掃描電壓供給器中,除了變壓器之外,就是一組無濾波的橋式整流電路及一個多擲開關,圖15為其完整的結構(蘇桑註:原文並無圖15),並說明如次:

  1 S1a及S1b為連動之雙刀八擲開關,S1a供選擇不同的掃瞄電壓用,S1b則為示波水平輸入之衰減器,S1a及S1b連動後,轉動此開關即可直接在示波管上讀出每cm所代表的電壓,無需另外換算,此開關在面板上的名稱可訂為VC/cm,而每一檔則分別為OFF/1V/2V/3V/5V/9V/15V/25V等,刻劃設計如圖16(蘇桑註:原文並無圖16)

  2 S1b的設計,是假定示波器之輸入阻抗為1MΩ以上,靈敏度到達1伏特即可掃滿10公分(3吋管為6公分)的程度。此時即可用S1b各接點上之分壓電阻取得恰為滿度的掃瞄電壓。

  3 D1~D4為整流二極體,耐壓應在300V以上。

  4 R為D1~D4整流後之負載,無此負載時,因佈線之潛佈電容,可導致電壓之積存,而無法完全放電因此掃描電壓並不由0V開始,R之數值約應在50K以下,越小時瓦特數要大一些。

  5 S2a為電壓極性反轉開關,備為NPN或PNP晶體測試之用,此開關可為單獨的雙刀雙擲開關,但最好還是併同FET→TR及示波器偏向屏,極性反轉開關連動控制比較方便一些。(待續)

轉載音響技術第1期JAN. 1976 一部完整的晶體曲線描繪器(一)/范 迪

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