【導(dǎo)讀】二極管的電流與電壓特性可以使用ADALM2000模塊和以下連接來測量。藍色方框表示ADALM2000板的連接位置。在面包板搭建電路，波形發(fā)生器的輸出W1連接到電阻的一端。2+示波器輸入也連接到此處。電阻的另一端連接到二極管的一端，如圖1所示。2-示波器輸入和1+示波器輸入連接到電阻的第二端。二極管的另一端和1-示波器輸入連接到地。
目標
本次實驗的目的是研究二極管（PN結(jié)）的電流與電壓特性。
子分類:
● 2a. 半波整流器
● 2b. 全波整流器
● 2c. 橋式整流器
● 2d. 限幅器/箝位電路
● 2e. 交流耦合和直流恢復(fù)
● 2f. 可變衰減器
● 2g. 絕對值電路
● 2h. 電壓倍增器電路
材料
● ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
● 面包板
● 一個電阻（1 kΩ或1 kΩ至5 kΩ的范圍的電阻值）
● 一個小信號二極管（1N914或類似元件）)
指導(dǎo)
二極管的電流與電壓特性可以使用ADALM2000模塊和以下連接來測量。藍色方框表示ADALM2000板的連接位置。在面包板搭建電路，波形發(fā)生器的輸出W1連接到電阻的一端。2+示波器輸入也連接到此處。電阻的另一端連接到二極管的一端，如圖1所示。2-示波器輸入和1+示波器輸入連接到電阻的第二端。二極管的另一端和1-示波器輸入連接到地。
圖1. 二極管I/V曲線的連接圖
硬件設(shè)置
波形發(fā)生器配置為100 Hz三角波，幅度為6 V，偏移為0 V。示波器通道2的差分輸入（2+、2-）用于測量電阻（和二極管）中的電流。示波器通道1的單端輸入(1+)用于測量二極管兩端的電壓（1-輸入可以接地）。示波器通道1設(shè)置為每格500 mV，通道2也設(shè)置為每格500 mV。流過二極管 ID 的電流是通道2測得的電壓除以電阻值（本例中為1kΩ）的結(jié)果。使用XY顯示模式在x軸上繪制二極管兩端的電壓（示波器通道1），在y軸上繪制二極管中的電流（示波器通道2）。
圖2.電流與電壓，線性坐標系.
步驟
圖3.電流與電壓（線性坐標系使用Scopy繪圖）
圖4. 電流與電壓（線性坐標系使用Excel繪圖）
將捕獲的數(shù)據(jù)加載到Excel等電子表格程序中，計算二極管電流 ID。繪制電流與二極管兩端電壓的曲線。二極管電壓和電流的關(guān)系是對數(shù)式的。如果在對數(shù)坐標系上繪制，結(jié)果應(yīng)為直線，如圖5所示。
圖5. 電流與電壓，對數(shù)坐標系
問題
給定二極管兩端的電壓 ID ，二極管電流 VD的數(shù)學(xué)表達式是什么？
二極管特性的進一步探討
測量多個1N914二極管在固定 VD時的二極管特性 ID, ADALP2000模擬器件套件中應(yīng)該有四個二極管，您可以請求與實驗室伙伴交 換，獲得更多樣品。計算測量結(jié)果的平均值和變異系數(shù)（CV，定義為標準偏差除以平均值的百分比）。討論您觀測到的變化量，這常常是半導(dǎo)體工程師所說的工藝偏差的測量指標。
用發(fā)光二極管(LED)替換1N914二極管。ADALP2000模擬器件套件中應(yīng)當有紅光、黃光、綠光和紅外LED。給定二極管兩端的電壓 ID時，LED的二極管電流 VD 的數(shù)學(xué)表達式是否與1N914相似？它們在什么方面相似，在什么方面不同？紅光、黃光和綠光LED是否以相同的正向電壓開啟？
2a. 半波整流器
目標
本次實驗的目的是研究二極管作為半波整流器的用途。
材料
● 一個電阻（4.7 kΩ或其他類似值）
● 一個小信號二極管（1N914或類似元件）
指導(dǎo)
設(shè)置面包板，波形發(fā)生器輸出W1連接到二極管的一端。二極管的另一端連接到負載電阻的一端，如圖6所示。負載電阻的另一端接地。示波器通道2的單端輸入(2+)也連接到電阻的未接地端（2-輸入可以接地）。
圖6. 半波二極管整流器的連接圖
硬件設(shè)置
波形發(fā)生器配置為100 Hz正弦波，幅度為6 V，偏移為0 V。示波器通道2 (2+)用于測量負載電阻RL兩端的電壓。兩個示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格500 mV。
圖7.半波二極管整流器面包板電路
步驟
使用Scopy工具中的示波器功能繪制這兩個波形。
圖8. 半波整流波形
問題
為什么整流輸出的峰值小于交流輸入的峰值？小多少？在輸入波形的什么位置整流波形變?yōu)檎泓c以外的位置）？如果二極管的方向反轉(zhuǎn)會發(fā)生什么？將二極管的方向反轉(zhuǎn)并重復(fù)實驗。
進一步探索
用發(fā)光二極管代替1N914二極管。您可能需要將AWG1幅度增加到10 V，以適應(yīng)LED的更高正向壓降。
1. 整流輸出波形與之前使用1N914二極管的結(jié)果相比如何？正偏壓降提高多少？
2. 用三種不同的波形做實驗，波形發(fā)生器保持設(shè)置為100 Hz，注意LED的亮度。討論您觀察到的波形和亮度，并將這些觀察結(jié)果與您測得的每個波形的有效直流值聯(lián)系起來。
3. 降低波形發(fā)生器頻率，將頻率設(shè)置為0.2 Hz（每五秒一個周期）。當波形發(fā)生器頻率為1 Hz或更低時，討論每種波形（共三種）所對應(yīng)的LED光強度。
4. 閃爍的LED在什么頻率停止閃爍，開始持續(xù)發(fā)光？
2b. 全波整流器
目標
本次實驗的目的是研究兩個二極管作為全波整流器的用途。
材料
● 一個電阻（4.7 kΩ或其他類似值）
● 兩個小信號二極管（1N914或類似元件）
指導(dǎo)
設(shè)置面包板，W1連接到第一個二極管D1的一端，W2連接到第二個二極管D2的一端。兩個二極管應(yīng)朝向相同方向。每個二極管的另一端連接到負載電阻的一端，如圖9所示。電阻的另一端接地。示波器通道2的單端輸入(2+)連接到電阻和兩個二極管的接合點。
圖9.全波二極管整流器的連接圖
硬件設(shè)置
第一路波形發(fā)生器W1應(yīng)配置為100 Hz正弦波，幅度為6 V，偏移為0 V。第二路波形發(fā)生器W2也應(yīng)配置為100 Hz正弦波，幅度為6 V，偏移為0 V，但相位設(shè)置為180°。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量負載電阻兩端的電壓。兩個示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格500 mV。
圖10. 全波二極管整流器面包板電路
步驟
使用Scopy工具提供的示波器繪制這兩個波形。如果交流輸入的0°和180°相位設(shè)置無誤，那么第二個二極管可以填補輸入缺失的半波，產(chǎn)生全波整流信號，如圖11所示。同樣，二極管的正向電壓是很明顯的，并且輸出波形在過零處不會出現(xiàn)尖點，原因是二極管的導(dǎo)通電壓非零。
圖11. 全波整流波形
問題
如果二極管的方向反轉(zhuǎn)會發(fā)生什么？將兩個二極管的方向均反轉(zhuǎn)并重復(fù)實驗。
如果一個二極管的方向與另一個二極管的方向相反會發(fā)生什么？將一個二極管的方向反轉(zhuǎn)并重復(fù)實驗。
如何從單個信號源產(chǎn)生0°和180°相位（例如變壓器）？
進一步探索
用紅光和綠光LED替換D1和D2。將波形發(fā)生器的幅度增加到10 V（以適應(yīng)LED的更高的導(dǎo)通電壓）。將頻率降至5 Hz或更低。這兩個LED是否同時開啟？
1. 整流輸出波形與之前使用1N914二極管的結(jié)果相比如何？正偏壓降提高多少？
2. 用三種不同的波形做實驗，波形發(fā)生器設(shè)置為100 Hz，注意LED的亮度。討論您觀察到的波形和亮度，并將這些觀察結(jié)果與您測得的每個波形的有效直流值聯(lián)系起來。
3. 降低波形發(fā)生器頻率，將頻率設(shè)置為0.2 Hz（每五秒一個周期）。當波形發(fā)生器頻率為1 Hz或更低時，討論每種波形（共三種）所對應(yīng)的LED光強度。
4. 閃爍的LED在什么頻率停止閃爍，開始持續(xù)發(fā)光？
2c.橋式整流器
目標
本次實驗的目的是研究四個二極管作為橋式整流器的用途。
材料
● 一個電阻（4.7 kΩ或其他類似值）
● 四個小信號二極管（1N914或類似元件）
指導(dǎo)
四個二極管可以按橋式配置排列，以便從單一交流相位提供全波整流，如圖12所示。但是，可以看到交流輸入端和負載端只能有一個連接在參考地上。
圖12. 二極管橋式整流器的連接圖
硬件設(shè)置
T波形發(fā)生器應(yīng)配置為100 Hz正弦波，幅度為6 V，偏移為0 V。示波器通道2（2+、2-）用于測量負載電阻RL兩端的電壓。兩個示 波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格500 mV。
圖13.二極管橋式整流器面包板電路
步驟
使用Scopy工具提供的示波器繪制這兩個波形。該電路的缺點是，現(xiàn)在有兩個二極管壓降與負載串聯(lián)，使得整流輸出的峰值比交流輸入小1.2V，而不是之前電路中的0.6 V。
圖14. 全波橋式整流器波形
問題
您將如何重新配置此電路以使負載電阻的一端接地，而不是像圖8顯示的那樣——交流源的一端接地？
進一步探索
用紅光和綠光LED替換所有四個二極管D1、D2、D3和D4。將波形發(fā)生器的幅度增加到10 V（以適應(yīng)LED的更高導(dǎo)通電壓）。將 頻率降至5 Hz或更低。是否有兩個LED同時開啟？如果有，是哪兩個？
1. 整流輸出波形與之前使用1N914二極管的結(jié)果相比如何？正偏壓降提高多少？
用三種不同的波形做實驗，波形發(fā)生器設(shè)置為100Hz，注意LED的亮度。討論您觀察到的波形和亮度，并將這些觀察結(jié)果與您測得的每個 2. 波形的有效直流值聯(lián)系起來。
3. 降低波形發(fā)生器頻率，將頻率設(shè)置為0.2Hz（每五秒一個周期）。當波形發(fā)生器頻率為1Hz或更低時，討論每種波形（共三種）所對應(yīng)的LED光強度。
4. 閃爍的LED在什么頻率停止閃爍，開始持續(xù)發(fā)光？
2d. 限幅器/箝位電路
目標
本次實驗的目的是研究二極管作為限幅或箝位電路的用途。
M材料
● 一個10 kΩ電阻（或其他類似值）
● 兩個小信號二極管（1N914或類似元件）
指導(dǎo)
設(shè)置面包板，波形發(fā)生器輸出(W1)連接到10 kΩ電阻的一端，如圖15所示。一個二極管(D1)連接在10 kΩ電阻的另一端與第二路 函數(shù)發(fā)生器的輸出之間。第二個二極管D2連接在地和D1的頂部之間，如圖所示。示波器通道2 (2+)連接到電阻和兩個二極管的公共連接處。
圖15. 二極管箝位的連接圖
硬件設(shè)置
第一路波形發(fā)生器應(yīng)配置為100 Hz正弦波，幅度為6 V，偏移為0 V。第二路波形發(fā)生器應(yīng)配置0 V幅度，起始偏移為0 V。稍后將 改變第二路波形發(fā)生器的偏移，觀察其對輸出信號的影響。示波器通道2 (2+)用于測量箝位/限幅電壓，應(yīng)設(shè)置為每格500 mV。
圖16. 二極管箝位面包板電路
步驟
將第二路波形發(fā)生器w2的直流偏移值設(shè)置為零，觀察示波器通道2 (2+)上顯示的電壓的最小值和最大值。在-2 V和+2 V之間調(diào) 整第二路波形發(fā)生器w2的直流偏移，觀察示波器上顯示的最小和最大電壓。反轉(zhuǎn)兩個二極管D1和D2的方向。重復(fù)調(diào)節(jié)直流偏移，觀察示波器上顯示的最小和最大電壓。兩組測量結(jié)果相比如何？
圖17. 二極管箝位波形
問題
如果兩個二極管D1和D2均連接到第二路信號發(fā)生器輸出，電壓限值會發(fā)生什么變化？
2e. 交流耦合和直流恢復(fù)
目標
本次實驗的目的是研究交流耦合以及二極管作為直流恢復(fù)電路的用途。許多信號包含直流分量。這種直流分量常常要被移除，在之后的信號路徑中可能會恢復(fù)為不同的直流電平。
材料
● 一個1.0μF電容（或其他類似值）
● 一個小信號二極管（1N914或類似元件）
指導(dǎo)
設(shè)置面包板，W1連接到1.0μF電容的一端，如圖18所示。二極管(D1)連接在1.0μF電容的另一端和第二路波形發(fā)生器W2的輸出之間。示波器通道2的單端輸入(2+)連接到電容和二極管的公共連接處。
圖18.直流恢復(fù)電路的連接圖
硬件設(shè)置
第一個波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，幅度為2 V，起始偏移為0 V。稍后將改變偏移量，觀察其對輸出的影響。第二個波形發(fā)生器幅度配置為0 V，起始偏移為0 V。稍后將改變偏移量，觀察其對輸出的影響。示波器通道2 (2+)用于測量電壓，應(yīng)設(shè)置為每格500 mV。
圖19. 直流恢復(fù)面包板電路
步驟
使用Scopy工具提供的示波器繪制這兩個波形。
圖20. 直流恢復(fù)波形
用10 kΩ電阻替換電路中的二極管D1。使用示波器上的測量選項卡，當波形發(fā)生器通道1的偏移在-1 V和+1 V之間變化時，讀取并記錄通道2 (2+)的正負峰值和平均值。現(xiàn)在將波形發(fā)生器通道 1設(shè)置為方波，幅度值同樣為2 V。同之前一樣，當方波的占空比在10%和90%之間變化時，讀取并記錄正負峰值和平均值。現(xiàn)在移除10 kΩ電阻，將二極管D1放回原位。重復(fù)剛才使用電阻進行的相同測量，調(diào)整直流偏移和占空比。測量結(jié)果相比如何？反轉(zhuǎn)二極管D1的方向，再次重復(fù)這些測量。測量結(jié)果與前兩次相比如何？
問題
當D1的方向反轉(zhuǎn)時發(fā)生了什么？對于第二路波形發(fā)生器(W2)的輸出，設(shè)置不同直流值有何影響？
2f. 可變衰減器
目標
本次實驗的目標是使用二極管構(gòu)建、表征和分析小信號可變衰減器。
材料
● 一個2.2 kΩ電阻
● 一個4.7 kΩ電阻
● 一個10 kΩ電阻
● 一個5 kΩ可變電阻、電位計
● 兩個0.1μF電容
● 一個小信號二極管（1N914或類似元件）
指導(dǎo)
設(shè)置面包板，第一個波形發(fā)生器連接到0.1μF電容的一端，如圖21所示。電阻R1連接在C1的第二端與D1、R2、C2的接合點之間。D1的另一端接地。電阻R2的第二端連接到電位計R3的滑動端。R3的兩端分別連接到地和Vp (5V)。示波器通道2 (2+)連接到電容C2和負載電阻R4的公共連接處。
圖21.可變衰減器的連接圖
硬件設(shè)置
波形發(fā)生器W1配置為10 kHz正弦波，幅度為200 mV（或更小），偏移設(shè)置為0 V。示波器通道1+設(shè)置為每格100 mV，R4處連接的 示波器通道2+設(shè)置為每格100 mV。設(shè)置測量選項卡以顯示通道1峰峰值和通道2峰峰值。
圖22.可變衰減器面包板電路
步驟
使用Scopy工具提供的示波器繪制這兩個波形。
圖23.可變衰減器波形
TC1（和C2）的作用是阻止直流分量進入輸入和輸出電路，使得二極管的工作點不受影響。衰減器使用了如下原理：二極管的小信號電阻 ID是二極管中流過的直流電流ID的函數(shù)。參見公式1。
其中:
n為二極管面積（尺寸）比例系數(shù)
VT 為熱電壓
ID 為二極管電流
k 為玻爾茲曼常數(shù)
q為電子電荷
T為絕對溫度
在電路中，R1和D1的電阻之間設(shè)置了一個分壓器。通過改變R2中的電流來改變D1中的電流。當D1中的電流很小時， rD 很大，輸出端看到的輸入信號比例很大。隨著D1中的電流增加，其電阻減小，輸出端看到的輸入部分減少。
問題
在不造成輸出信號失真的情況下，您可以使用的最大輸入信號電平是多少？什么電路參數(shù)決定輸入信號的上限？
2g. 絕對值電路
目標
本次實驗的目的是研究絕對值電路。整流器或絕對值電路常常用作檢波器，以將交流信號的幅度轉(zhuǎn)換為更容易測量的直流值。對于此類電路，交流信號首先進行高通濾波以去除任何直流成分，然后進行整流，可能還會進行低通濾波。正如我們在用二極管構(gòu)建的簡單整流電路中所看到的那樣，該電路對幅度小于二極管壓降（硅二極管為0.6 V）的信號反應(yīng)不佳。因此，它不適合用于要測量小幅度信號的設(shè)計。對于需要高精度的設(shè)計，運算放大器可與二極管配合使用來構(gòu)建精密整流器。
材料
● 一個雙通道運算放大器（ADTL082或類似產(chǎn)品）
● 五個10 kΩ電阻
● 兩個小信號二極管（1N914或類似元件）
● 兩個4.7μF解耦電容
指導(dǎo)
通過增加兩個二極管，可將反相運算放大器電路改造為理想、（線性精密）半波整流器，如圖24所示。對于輸入的負半部分，二極管D1反偏，二極管D2正偏，電路作為常規(guī)反相器工作，增益為-1。對于輸入的正半部分，二極管D1正偏，使放大器周圍的反饋閉合。二極管D2反偏，斷開輸出與放大器的連接。通過10 kΩ電阻，輸出將處于虛地電位（負輸入端）。
圖24. 精密半波整流器的連接圖
圖25.精密半波整流器面包板電路
步驟
如圖26所示，整流輸出的峰值現(xiàn)在等于輸入的峰值。當輸入過零時，也會出現(xiàn)急劇轉(zhuǎn)變。實驗者可以研究電路中不同點的波形，解釋為什么這個電路比簡單的二極管半波整流器更好。
圖26. 精密半波整流器波形
指導(dǎo)
圖27所示的電路是一個絕對值電路，常常稱其為精密全波整流器。它應(yīng)當像一個由理想二極管構(gòu)建的全波整流電路那樣工作（正向?qū)〞r，二極管兩端的電壓等于0 V）。電路中實際使用的二極管會有大約0.6 V的正向電壓。
圖27.絕對值電路的連接圖
圖28. 絕對值面包板電路
步驟
對于此實驗練習(xí)，您應(yīng)當：
a. 研究電路并弄懂其工作原理。有一個非常基本的概念應(yīng)該有助于理解此電路的工作原理。給定一個配置為負反饋的運算放大器，反相和同相輸入端會試圖達到相同的電壓電平，這常常被稱為虛短路。
b. 計劃一些測試方案，看看這個電路是否確實是絕對值電路。執(zhí)行這些測試，完整記錄所有測試和結(jié)果。
c. 設(shè)置輸入信號為1 kHz的6 V正弦波。仔細測量并記錄電路中所有節(jié)點的電壓。
圖29. 絕對值波形
問題
通過完整記錄所有測試和結(jié)果來匯報您的實驗
2h. 電壓倍增器電路
在負載電流相對較小且所需直流電壓高于系統(tǒng)電源可提供電壓的情況下，電壓倍增器非常有用。
圖30.電壓倍增器電路的連接圖。
此電路的工作原理不像之前研究過的二極管整流電路那么簡單。為了理解這個電路，我們需要在W1提供的交流輸入的連續(xù)半周期期間觀察它。我們將從假設(shè)使用理想器件開始，C1 = C2。
1. 在第一個負半周期中，D1正偏，將C1的右端保持在比地低一個二極管壓降的電平。因此，C1將充電到幾乎等于交流輸入峰值電壓 (vPEAK)的電壓，其左端相對于地為負。
2. 在接下來的正半周期中，D1反偏，不會傳導(dǎo)電流。C1上的電壓將增加到交流輸入電壓上，因此D2的左端會出現(xiàn)約2 VPEAK 的電壓。由于C2根本沒有充電，所以這將使D2正偏，并允許C1右端的電壓施加到C2的頂部。當C1放電時，C2充電，直到兩個電容不再能使D2正偏。對于第一個正半周期，C2上的電壓等于 VPEAK， C1完全放電，因此D2左端的所有電壓都來自交流輸入。
3. 在下一個負半周期，C1通過D1再次充電至 VPEAK。如果沒有負載來給C2放電，其輸出將保持在 +VPEAK。
4. 如果沒有負載來給C2放電，其輸出將保持在 +VPEAK,而D2左端電壓再次為 +2 VPEAK。同樣，C1將其部分電荷轉(zhuǎn)移到C2，但這次是在C2充電到 +1.5 VPEAK電壓時停止。
5. 此操作一個周期一個周期地持續(xù)進行，C1在每個負半周期完全充電至 VPEAK K，然后將C2充電至其起始電壓和 +2 VPEAK之間的中間電壓。C2永遠不會充電到 +2 VPEAK, 但會非常接近。
對于非理想元件，當正偏時，每個二極管上有很小(0.6 V)的電壓降。這會降低倍增器的最大空載輸出電壓。此電路上的任何負載（例如RL）總是從C2汲取電流，從而會在一定程度上給該電容放電。在每個正半周期，C1將對C2充電，從其在中間半周期開始時的電壓一直充電到 +2 VPEAK。輸出上的紋波將更大，平均直流值將更低。
請注意，該電路的輸出電流容量僅為普通整流電路的電流容量的一半。從電壓倍增器獲得的任何額外負載電流都會導(dǎo)致C2以更快速度放電，從而降低輸出電壓。永遠不可能從電壓倍增器中獲得比輸入更多的功率。
如果C1大于C2，C2的充電和再充電速度可以更快。例如，如果C1 =10μF且C2 =1μF，那么在每個正半周期，C1將把更多電荷轉(zhuǎn) 移到C2，C2上電壓的提升速度將比C1上電壓的下降速度快得多。當然，這也意味著輸出電流容量更加有限，因為C2將迅速放電和充電。
圖31. 電壓倍增器面包板電路
步驟
使用Scopy工具提供的示波器繪制這兩個波形。
圖32.電壓倍增器波形
問題
圖30中的電路產(chǎn)生正向直流輸出電壓。如何重新配置以產(chǎn)生負輸出電壓？構(gòu)建電壓逆變器并重復(fù)實驗/仿真。
您可以在 學(xué)子專區(qū)博客上上找到問題答案。
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