在我最新的书《电路的秘密生活》中，我希望保持艺术作品的真实性。我对流行电子教材和在线教程中的图表的不满在于，它们中的大多数都是假冒的。充其量，它们是从古老的文本重新描绘的；而在最糟糕的情况下，它们是根据记忆草草绘制的，可以宽容地描述为“灵感来自真实事件”：收集到的二极管 V-I 图。《电路的秘密生活》包含约 290 幅原创插图，并尽力避免这种虚构。我费尽心思收集了从石英晶体频率响应到电池放电曲线，再到工作室里杂乱布置的 100 英尺同轴电缆的信号反射，再到真空管的行为的真实数据。这里有可供查看的样本章节。在捕捉大部分内容时都是简单直接的，但我不能对显示半导体器件中电压与电流关系的参数图说同样的话。在曲线的某些部分，电流小到连最常用的图形仪器——示波器——都无法记录。而在其他部分，电流突然暴增——转眼间，设备就释放出魔法烟雾。即使在中间区域，也没有缓解：半导体结的特性会随温度变化而改变，包括因低至 1 mA 的电流引起的自热。若什么也不做，就会看着示波器屏幕上的点漂移。为了解决这个问题，我最终放弃了示波器，转而使用台式多用表（DMM）和实验室电源提供的脉冲电源。多用表的好处在于它可以轻松测量到微安和微伏；脉冲电源的好处在于可以控制因加热而导致的漂移。哦——我还会将被测试设备浸没在非导电液体中以便冷却。矿物油是一个明智的选择，但许多其他选项也应该可以：最终设置的特写。当然，手动测量既乏味又容易出错，因此如果一个或多个仪器可以与计算机连接会更好。许多台式仪器支持一种简单的基于文本的协议，称为可编程仪器标准命令（SCPI）。根据设备的年代，接口可能通过 RS-232，或通过 rear 端口的 USB Type B（打印机样式）端口，或通过以太网连接——在这种情况下，只需建立到 5025 端口的 TCP 连接。SCPI 协议使用命令和查询。一个查询的例子是 *IDN?，后面跟随换行符（\n）；发送这个字符串会导致设备返回一行文本，描述其制造商、型号和其他识别信息。另一个可能的查询是 MEAS:VOLT?，这可能返回当前电压读数。与查询不同，命令不返回任何文本；例如 SOUR:VOLT 1.2 来将电压设置为 1.2 V，或 OUTP 1 来开启输出通道 1。可惜的是，虽然我有一个支持 SCPI 的多用表，但我的台式电源比较基础，没有提供远程控制。因此，我硬着头皮购买了一个源测量单元（SMU）——本质上是一个组合电源和反应速度非常快的多用表。全新的 SMU 昂贵得离谱，但几乎没有二手买家，所以在 eBay 上如果你讨价还价，就很容易找到超值交易。我以其天价 MSRP（$9,000）的一小部分，得到了一个完好无损的 Rohde & Schwarz NGU401 单元。这个特定的 SMU 可以通过反复设置输出电压，然后查询 DMM 当前的屏幕读数来使用，但读取的频率仅约为 3 Hz。更好的选择是使用设备的数据流模式；在 Rohde & Schwarz 的术语中，这被称为 FastLog。该 API 允许采样率为 100 到 500k 每秒，并将电压-电流对以二进制 4 字节浮点数形式发送。当然，作为 niche 设备的 niche 功能，可以预料的是，实际上没有任何事情按文档正常运作。最严重的问题是，如果尝试通过 USB 接口进行串行通信，则返回的二进制数据会损坏；经过一天的无用功，我终于能够通过以太网使其正常工作。用于捕捉正偏置二极管 V-I 曲线的 C 实现可以在此处找到。它以 10 ksps 使用 FastLog；对于低于 0.3 mA 的电流，它保持供电电压开启并对 2,500 个数据点取平均，以获取无噪声的微安范围读数。对于较高的电流，它在 5 毫秒内开启电源，并从 FastLog 缓冲区平均 20 个最佳样本。以下图展示了一种常用 1N4148 二极管的实际正向 V-I 曲线，额定连续电流为 300 mA：1N4148 的正偏置。未编辑的测量数据可以在此处找到。我能够轻松覆盖从几微安到近 2 A 的范围；实际上可以到 4 A，但对细节没有有趣的贡献。