張明英

（西安外事學(xué)院 陜西 西安 710077）

晶體管測(cè)試儀應(yīng)用廣泛，功能因測(cè)量參數(shù)不同而不同，有的可以測(cè)量晶體管的放大系數(shù)、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(shí)間、晶體管開(kāi)啟時(shí)間、存貯時(shí)間等多種參數(shù)，有的只是測(cè)試晶體管的好壞，也有的數(shù)字萬(wàn)用表可以測(cè)晶體管的直流放大系數(shù)。當(dāng)然這樣的儀器要么功能強(qiáng)大，價(jià)格昂貴，要么功能太過(guò)于簡(jiǎn)單，測(cè)量參數(shù)單一。因此設(shè)計(jì)一臺(tái)適用的測(cè)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(shù)的測(cè)量。利用Matlab結(jié)合MCU和測(cè)量電路，在PC機(jī)上顯示出晶體管的β值及漏電流，通過(guò)逐點(diǎn)法顯示特性曲線。使用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的TL494芯片搭建升壓電路，測(cè)試晶體管的反向擊穿電壓。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)晶體管參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)主要由兩部分電路組成：輸出特性曲線測(cè)試電路和反向擊穿電壓測(cè)試電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 輸出特性曲線測(cè)試電路

如圖1所示，本設(shè)計(jì)方案是以LM3S1138作為控制核心，這樣可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采樣。通過(guò)MCU和D/A轉(zhuǎn)換器以及放大器實(shí)現(xiàn)程控電流源和電壓源。以兩個(gè)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(guò)調(diào)整Vb和Vc就能進(jìn)行任意工作狀態(tài)時(shí)的參數(shù)測(cè)量。分別在基極和集電極上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，通過(guò)對(duì)取樣電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣，得到電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)各管腳電壓的分析，判斷出E、B、C對(duì)應(yīng)的管腳，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路自動(dòng)切換。再通過(guò)控制程控電壓源的輸出電壓，同時(shí)對(duì)采樣電阻上的電壓進(jìn)行采樣，計(jì)算放大倍數(shù)、繪制特性曲線。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig．1 System block diagram

1.2 反向擊穿電壓測(cè)試電路

如圖1所示，利用TL494芯片搭建開(kāi)關(guān)電源，對(duì)電源電壓進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓。通過(guò)多圈電位計(jì)可以調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，當(dāng)緩慢增加反向電壓時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否擊穿。在晶體管反向擊穿電壓測(cè)試電路中接入限流電阻和采樣電阻，過(guò)流保護(hù)電路對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)被測(cè)器件和測(cè)量電路進(jìn)行保護(hù)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)三極管 Ic=βIb， 當(dāng) Ib為固定值時(shí)，Ic才能反映 β的變化，通常恒流源電路如圖2所示，但在實(shí)際應(yīng)用中存在浮地的問(wèn)題會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且為了便于同時(shí)測(cè)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(lái)提供精密微電流。經(jīng)過(guò)測(cè)試，它的輸出能力比反饋電阻式運(yùn)放搭建的恒流源線形、穩(wěn)定性要好。集成運(yùn)算放大器的選擇對(duì)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(shù)放大過(guò)程中可能產(chǎn)生一系列的問(wèn)題。本系統(tǒng)對(duì)測(cè)量調(diào)理電路和恒流源的輸出電流穩(wěn)定性都有較高要求，應(yīng)該選擇低溫漂，低失調(diào)電壓，低失調(diào)電流的精密運(yùn)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

2.2 輸出特性曲線測(cè)試電路

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(guān)系，其表達(dá)式為：

iC=f（uCE）|Ib=常數(shù)

集電極掃描電壓利用MCU控制DAC0832輸出。如圖4所示，當(dāng)管壓降uCE超過(guò)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(cè)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(cè)試電路Fig．4 Test circuit of output characteristic curve

2.3 測(cè)反向擊穿電壓

采用TL494構(gòu)建的開(kāi)關(guān)電源電路是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。利用TL494開(kāi)關(guān)電源芯片結(jié)合高頻變壓器可得到滿足設(shè)計(jì)要求的擊穿電壓。如圖5所示，為了保護(hù)晶體管不因反向電流過(guò)大而損壞，使晶體管的PN結(jié)處于軟擊穿狀態(tài)。通常加入限流電阻，將保護(hù)電流設(shè)置在幾毫安到幾十毫安。

圖5 反向特性測(cè)試電路Fig．5 Reverse property test circuit

2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的保護(hù)電路是至關(guān)重要的，不僅保護(hù)系統(tǒng)本身的測(cè)量系統(tǒng)不被損壞，又要保護(hù)被測(cè)器件的安全。這里用數(shù)字邏輯器件設(shè)計(jì)反應(yīng)迅速的過(guò)流保護(hù)電路，設(shè)置復(fù)位功能。當(dāng)電路出現(xiàn)故障或者晶體管被擊穿后，保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)切斷測(cè)試電源。按復(fù)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(hù)狀態(tài)。保護(hù)電路如圖6所示。

圖6 保護(hù)電路Fig．6 Protection circuit

3 測(cè) 試

上位機(jī)有著豐富的系統(tǒng)資源，可以對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。用PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具有工作穩(wěn)定，界面友好，操作直觀，數(shù)據(jù)精確，軟件易于更新擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件是系統(tǒng)的靈魂，在硬件穩(wěn)定可靠的前提下，加上好的軟件對(duì)硬件支持，就會(huì)有優(yōu)秀的系統(tǒng)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(cè)試、二極管測(cè)試和曲線顯示選項(xiàng)幾大部分組成。在進(jìn)行3極管測(cè)試前，需將3個(gè)管腳插入設(shè)備。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)鑒別管子的管腳和管型，上位機(jī)會(huì)根據(jù)管型給硬件設(shè)備發(fā)送相對(duì)應(yīng)的測(cè)試信號(hào)，硬件設(shè)備會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成需要的測(cè)試電路。測(cè)試二極管參數(shù)時(shí)需要正確插入對(duì)應(yīng)的管腳，以保證系統(tǒng)正確測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)涉及到微弱信號(hào)，對(duì)元器件選擇有較高的要求，晶體管特性曲線是經(jīng)過(guò)微安級(jí)電流放大得來(lái)的，所以特別是恒流源電阻要選高精密電阻。系統(tǒng)PCB板布線時(shí)也要注意各模塊的相互干擾問(wèn)題，測(cè)量漏電流等微小參數(shù)時(shí)最好將系統(tǒng)放在屏蔽盒中，避免外界的電磁干擾。晶體管半導(dǎo)體易受溫度的影響，為得到更準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)，在測(cè)試前應(yīng)將系統(tǒng)開(kāi)機(jī)預(yù)熱幾分鐘。通過(guò)對(duì)多種晶體管進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量參數(shù)都在數(shù)據(jù)手冊(cè)給的參數(shù)范圍之內(nèi)。

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