晶體管參數測試儀的設計

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。

1 系統方案設計

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。

1.1 輸出特性曲線測試電路

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

1.2 反向擊穿電壓測試電路

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。

2 電路設計

2.1 恒流源電路設計

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

2.2 輸出特性曲線測試電路

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

2.3 測反向擊穿電壓

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

2.4 保護電路設計

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

3 測 試

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。

4 結束語

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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