張明英
(西安外事學院 陜西 西安 710077)
晶體管測試儀應用廣泛,功能因測量參數不同而不同,有的可以測量晶體管的放大系數、反向擊穿電壓、反向飽和電流、晶體管的輸入輸出特性曲線、延遲時間、晶體管開啟時間、存貯時間等多種參數,有的只是測試晶體管的好壞,也有的數字萬用表可以測晶體管的直流放大系數。當然這樣的儀器要么功能強大,價格昂貴,要么功能太過于簡單,測量參數單一。因此設計一臺適用的測試儀具有重要的意義。
本課題研究晶體管的特性曲線,β值,漏電流及反向擊穿電壓等重要參數的測量。利用Matlab結合MCU和測量電路,在PC機上顯示出晶體管的β值及漏電流,通過逐點法顯示特性曲線。使用當前應用廣泛的TL494芯片搭建升壓電路,測試晶體管的反向擊穿電壓。
整個晶體管參數測試系統主要由兩部分電路組成:輸出特性曲線測試電路和反向擊穿電壓測試電路。系統結構框圖如圖1所示。
如圖1所示,本設計方案是以LM3S1138作為控制核心,這樣可以實現高速的數據采樣。通過MCU和D/A轉換器以及放大器實現程控電流源和電壓源。以兩個通道輸出至基極和集電極,作偏置電壓Vb、Vc,將發(fā)射極接地,通過調整Vb和Vc就能進行任意工作狀態(tài)時的參數測量。分別在基極和集電極上串聯一個采樣電阻,通過對取樣電阻兩端的電壓進行采樣,得到電壓數據,通過對各管腳電壓的分析,判斷出E、B、C對應的管腳,并實現測量電路自動切換。再通過控制程控電壓源的輸出電壓,同時對采樣電阻上的電壓進行采樣,計算放大倍數、繪制特性曲線。
圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram
如圖1所示,利用TL494芯片搭建開關電源,對電源電壓進行升壓和穩(wěn)壓。通過多圈電位計可以調節(jié)開關電源的輸出電壓,當緩慢增加反向電壓時,系統自動判斷是否擊穿。在晶體管反向擊穿電壓測試電路中接入限流電阻和采樣電阻,過流保護電路對采樣信號進行監(jiān)測,并對被測器件和測量電路進行保護。
根據三極管 Ic=βIb, 當 Ib為固定值時,Ic才能反映 β的變化,通常恒流源電路如圖2所示,但在實際應用中存在浮地的問題會影響到系統的穩(wěn)定性,而且為了便于同時測量P管和N管,此恒流源的單向電流也滿足不了要求。所以采用圖3中的雙向電流恒流源來提供精密微電流。經過測試,它的輸出能力比反饋電阻式運放搭建的恒流源線形、穩(wěn)定性要好。集成運算放大器的選擇對電路的影響是很大的,如選擇TL084,其穩(wěn)定性不是很好且精度不很高,在高倍數放大過程中可能產生一系列的問題。本系統對測量調理電路和恒流源的輸出電流穩(wěn)定性都有較高要求,應該選擇低溫漂,低失調電壓,低失調電流的精密運算放大器,如 OP07。
圖2 單向恒流源(I L=V ref/R3)Fig.2 Single direction constant-current source
圖 3 雙向恒流源(I L=(V ref-Vm)/R3)Fig.3 Double direction constant-current source
輸出特性曲線反映的是以基極電流Ib為參變量的曲線,集電極電流Ic和管壓降uCE之間的關系,其表達式為:
iC=f(uCE)|Ib=常數
集電極掃描電壓利用MCU控制DAC0832輸出。如圖4所示,當管壓降uCE超過1 V后,集電極電流Ic的大小與基極電流Ib成正比,即Ic=βIb。如果用MUC控制恒流源等間隔的改變Ib的大小繼續(xù)測試,可以得到一組間隔基本均勻,彼此平行的直線。
圖4 輸出特性曲線測試電路Fig.4 Test circuit of output characteristic curve
采用TL494構建的開關電源電路是一種固定頻率脈寬調制電路,它包含了開關電源控制所需的全部功能,廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。利用TL494開關電源芯片結合高頻變壓器可得到滿足設計要求的擊穿電壓。如圖5所示,為了保護晶體管不因反向電流過大而損壞,使晶體管的PN結處于軟擊穿狀態(tài)。通常加入限流電阻,將保護電流設置在幾毫安到幾十毫安。
圖5 反向特性測試電路Fig.5 Reverse property test circuit
系統的保護電路是至關重要的,不僅保護系統本身的測量系統不被損壞,又要保護被測器件的安全。這里用數字邏輯器件設計反應迅速的過流保護電路,設置復位功能。當電路出現故障或者晶體管被擊穿后,保護電路會自動切斷測試電源。按復位鍵后故障排除可以回到正常情況,否則將繼續(xù)保持保護狀態(tài)。保護電路如圖6所示。
圖6 保護電路Fig.6 Protection circuit
上位機有著豐富的系統資源,可以對采集來的數據進行匯總分析。用PC機對數據進行分析,具有工作穩(wěn)定,界面友好,操作直觀,數據精確,軟件易于更新擴展等優(yōu)點。硬件是系統的軀體,軟件是系統的靈魂,在硬件穩(wěn)定可靠的前提下,加上好的軟件對硬件支持,就會有優(yōu)秀的系統性能。
圖7 軟件界面Fig.7 Software interface
如圖7所示,操作界面主要由三極管測試、二極管測試和曲線顯示選項幾大部分組成。在進行3極管測試前,需將3個管腳插入設備。系統會自動鑒別管子的管腳和管型,上位機會根據管型給硬件設備發(fā)送相對應的測試信號,硬件設備會自動轉換成需要的測試電路。測試二極管參數時需要正確插入對應的管腳,以保證系統正確測量。
系統涉及到微弱信號,對元器件選擇有較高的要求,晶體管特性曲線是經過微安級電流放大得來的,所以特別是恒流源電阻要選高精密電阻。系統PCB板布線時也要注意各模塊的相互干擾問題,測量漏電流等微小參數時最好將系統放在屏蔽盒中,避免外界的電磁干擾。晶體管半導體易受溫度的影響,為得到更準確的測試數據,在測試前應將系統開機預熱幾分鐘。通過對多種晶體管進行測量,測量參數都在數據手冊給的參數范圍之內。
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