Приставка-характериограф к функциональному генератору

Автор: Allhimed
Опубликовано 09.02.2018
Создано при помощи КотоРед.

Подготавливая эту статью, ожидаю саркастической реакции уважаемой аудитории, обвинений в примитивизме и т.п.
Ну что-ж, гвоздь тоже по-своему примитивен, однако без него никуда...
Тем не менее, данная конструкция позволила быстро и элегантно решить текущие практические задачи.

...Личный зоопарк парк измерительной аппаратуры пополнился функциональным генератором UTG2062A фирмы UNI-T.
Изучение мануала вызвало глубокую задумчивость. Два независимых канала, полсотни различных форм сигнала с регулируемыми параметрами... Как найти применение всему этому богатству?

И тут появилась текущая задача: нужно было для дифференциального усилителя подобрать согласованную пару n-канальных полевых транзисторов с p-n переходом (что-то типа КП303). Простейший метод: измерить начальный ток стока и напряжение отсечки всех имеющихся транзисторов и отобрать экземпляры с близкими параметрами.
Однако, лучший метод - визуальное сравнение выходных характеристик на экране характериографа. Прибор это редкий и дорогой, поэтому энтузиасты придумали много вариантов различных приставок к осциллографу для реализации подобных функций.

Рассмотрим получение выходной характеристики на примере n-канального полевого транзистора с p-n переходом.

Выходная (иначе сток-затворная) характеристика - это зависимость тока стока Iс от напряжения сток-исток Uси при различных напряжениях затвор-исток Uзи. Простейшая схема для снятия характеристики приведена на рис.1.

Рис.1

Здесь на сток транзистора подаётся пилообразное напряжение, на затвор - ступенчато изменяющееся напряжение. Напряжение, снимаемое с резистора небольшого номинала, в первом приближении пропорционально току стока. Остаётся подать эти сигналы на осциллограф, засинхронизировать их и увидеть ожидаемые характеристики.
И тут пришла мысль: ведь все эти напряжения можно получить с помощью функционального генератора! Останется только подобрать нужные параметры сигналов.
И вот родилась схема примитивной приставки-характериографа, содержащая контактную панель, переключатель и единственный резистор! Схема приведена на рис.2.

Рис.2

Переключатель типа П2К с фиксацией в нажатом положении служит для выбора первого или второго транзистора. Для подключения транзисторов использована старая советская панелька с мягкими позолоченными контактами. Внешний вид устройства показан на рис.3 и рис.4.

Рис.3

Рис.4

Теперь пора поговорить о параметрах сигналов. В качестве индикатора использован осциллограф С1-112. Параметры развертки: горизонталь - 20 мкс/дел., вертикаль - 10...50 мВ/дел. Синхронизация - внешняя, от канала 1 генератора.
При использовании осциллографа другого типа возможно придётся "поиграть" с частотой следования и симметрией сигнала в первом канале для получения устойчивой синхронизации.

Итак, параметры канала 1 (CH1) (рис.5):
Нагрузка: HighZ - для правильной индикации амплитуды сигнала;
Форма сигнала: Ramp (пила);
Freq: 4300 Hz - частота;
Amp: 10 Vpp - 10 вольт от пика до пика (размах);
Offset: 5V - смещение;
Phase: 0 - начальная фаза;
Symmetry: 86% - (86% - нарастание, остальное - спад);
Синхронизация по каналу 1.

Рис.5

Рис.6. Вид сигнала на экране. Горизонталь - 20 мкс/дел. (1 В/дел.), вертикаль - 2 В/дел., нулевая линия - внизу экрана.

Параметры канала 2 (CH2) (рис.7):
Нагрузка: HighZ - для правильной индикации амплитуды сигнала;
Форма сигнала: из произвольных сигналов StairDn - ступеньки вниз;
Freq: 100 Hz - частота;
Amp: 3,5 Vpp - 3,5 вольта от пика до пика (размах), всего 7 ступенек;
Offset: -1,75 V - смещение;
Phase: 0 - начальная фаза.

Рис.7

Рис.8. Вид сигнала на экране. Горизонталь - 2 мс/дел., вертикаль - 1 В/дел., нулевая линия в центре экрана.

Вот так выглядят выходные характеристики транзистора КП303Е (рис.9).

Рис.9. Горизонталь - 20 мкс/дел. (1 В/дел.), вертикаль - 20 мВ/дел. (2 мА/дел.), нулевая линия - внизу экрана.

Входная характеристика Ic = f(Uзи) при Uс == const.

Параметры канала 1 (CH1):
HighZ;
Форма сигнала: DC (постоянное напряжение);
Offset: 10V;

Параметры канала 2 (CH2):
HighZ;
Форма сигнала: Ramp;
Freq: 2100 Hz;
Amp: 10 Vpp;
Offset: -5V;
Phase: 0;
Symmetry: 86%;
Синхронизация по каналу 2.

Вид входной характеристики транзистора КП303Е - на рис.10.  

 Рис.10. Горизонталь - 20 мкс/дел., вертикаль - 20 мВ/дел. (2 мА/дел.), нулевая линия - внизу экрана.

Напряжение отсечки -6В, начальный ток стока 9,5 мА

По ней можно определить начальный ток стока - максимальное значение на графике и напряжение отсечки - напряжение, при котором ток стока становится близким к нулю.

Отметим, что указанные настройки каналов можно сохранить в конфигурационном файле на флешке и загрузить заново в любое время.
Для снятия характеристик p-канальных транзисторов полярности всех сигналов нужно поменять на обратные.

Теперь о недостатках.
Дело в том, что выходное сопротивление каналов генератора составляет 50 Ом, поэтому при значительном токе выходное напряжение снижается (например, при токе 10 мА выходное напряжение снижается на 500 мВ). На рис.11 показана "размытая" линия пилы в верхней правой части.

Рис.11.  Горизонталь - 20 мкс/дел. (1 В/дел.), вертикаль - 2 В/дел., нулевая линия - внизу экрана.

Другой фактор - использование в качестве датчика тока резистора в цепи истока. При этом получается небольшой эффект стабилизации тока стока. В совокупности эти факторы приводят к тому, что ветви наблюдаемой характеристики лежат более горизонтально, чем на самом деле. Однако, при подборе пар транзисторов это не имеет значения, так как оба экземпляра всё равно испытываются в одинаковых режимах. Получается, что область применения устройства - испытание маломощных транзисторов.

Для работы с биполярными транзисторами можно добавить переключатель с резисторами, задающими ток базы, при этом появится нелинейность ступенек тока и пропадёт главное достоинство приставки - её простота.

Можно использовать аналогичные генераторы фирм Rigol, АКТАКОМ, Tektronix и т.п.

Литература. 

Иванов Б.С. Осциллограф - ваш помощник. Приставки к осциллографу.
(Москва: Издательство «Патриот», МП «Символ-Р», 1991. - Приложение к журналу «Радио». Выпуск 3)

https://publ.lib.ru/ARCHIVES/I/IVANOV_Boris_Sergeevich/Ivanov_B.S._Oscillograf_-_vash_pomoschnik._Pristavki_.(1991).[djv-fax].zip

Все вопросы в Форум.