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          BJT參數(shù)測試儀中數(shù)控微電流源研究與實現(xiàn)

          作者: 時間:2015-12-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            本文介紹了滿足小功率參數(shù)測試要求的雙極性高精度數(shù)控微電流源,預置電流直接送入被測的基極,這樣就不需對基極電流進行采樣,不但簡化了電路設(shè)計,而且減小了系統(tǒng)測試誤差。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/284435.htm

            在數(shù)字式(Bipolar Junction Transistor,雙極面結(jié)型晶體管)參數(shù)測試系統(tǒng)中為了準確測量交直流放大倍數(shù)、輸入/輸出特性曲線等特性參數(shù),需要在被測的基極加合適的偏置電壓,并且所加的偏置電壓根據(jù)測試的具體參數(shù)不同其大小要能程控變化;另一方面,小功率的基極輸入電流較小,對其進行取樣、處理過程中需要較大放大倍數(shù)的直流放大器,放大器設(shè)計較困難,而且零漂、干擾較大,會增大參數(shù)的測試誤差;在實際使用時有NPN型和PNP型BJT,所以要求電流源輸出是雙極性的。為此設(shè)計了滿足小功率BJT參數(shù)測試要求的雙極性高精度數(shù)控微電流源,預置電流直接送入被測的基極,這樣就不需對基極電流進行采樣,不但簡化了電路設(shè)計,而且減小了系統(tǒng)測試誤差。

            1 數(shù)字式BJT參數(shù)測試原理

            根據(jù)BJT主要特性參數(shù)的定義設(shè)計的數(shù)字式BJT參數(shù)測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括測試模塊(圖1中虛線框中的部分)和控制模塊。測試模塊主要完成集電極電流以及vBE和vCE等的取樣及信號調(diào)理;控制模塊主要實現(xiàn)數(shù)控電流源、數(shù)控電壓源的控制以及數(shù)據(jù)的采集、LCD液晶顯示器的控制等。測量放大倍數(shù)時,微控制器通過控制數(shù)控電流源為三極管基極提供合適的基極電流iB;通過數(shù)控電壓源為三極管的集電極提供適當?shù)募姌O電壓vC?,F(xiàn)假設(shè)通過的集電極電流為iC,iC經(jīng)集電極取樣電阻取樣后進行差動放大,這樣就可以得到與iC成正比的電壓信號kiC(k為放大系數(shù)),再將該信號送入A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,微控制器讀入采樣的電壓值,并根據(jù)數(shù)控電流源提供的基極電流iB通過BJT直流放大倍數(shù)的定義式(1)即可算出直流放大倍數(shù)。


            由式(1)并根據(jù)測量誤差的傳遞公式和相對誤差定義可得:


            由式(2)可知,直流放大倍數(shù)的相對誤差主要由基極電流和集電極電流的測量誤差組成,所以為達到放大倍數(shù)的準確測量需要為基極提供高精度電流;另一方面,也需要準確的檢測集電極電流。對交流放大倍數(shù)進行測試時,只需在測量直流放大倍數(shù)的基礎(chǔ)之上再測試一次ic,由2次測試的結(jié)果可算出交流放大倍數(shù)。測試輸入、輸出特性曲線以及其他特性參數(shù)時可根據(jù)其定義通過該系統(tǒng)測試相關(guān)參數(shù),在微控制器中通過計算、處理就可以得到相應的曲線和參數(shù)。


            2 數(shù)控電流源設(shè)計及工作原理

            基于以上要求這里設(shè)計的數(shù)控電流源以微控制器為核心,通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器控制由運算放大器構(gòu)成的壓控電流源(VCCS)實現(xiàn)。

            2.1 VCCS的工作原理

            由運算放大器構(gòu)成壓控電流源電路如圖2所示,該電路輸出負載一端直接接地,所以又叫Howland電流泵。它通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng),從而使其輸出電流的穩(wěn)定性好、精度高、輸出阻抗低,運算放大器采用低噪聲精密運放OP27。


            2.1.1 定性分析

            在圖2的電路中,有2個電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。在輸入電壓保持不變的條件下,現(xiàn)假設(shè)因負載電阻減小而引起輸出電流增大,則節(jié)點c,d的電壓升高,則流過R2,R4的電流ID,IE增大,因R2不變,則節(jié)點a的電壓升高,根據(jù)運算放大器“虛短”的概念,節(jié)點b的電壓也要升高,在相同輸入電壓的情況下,此時流過電阻R1的電流減小,再根據(jù)運算放大器“虛斷”的概念,則流過R3的電流也要減小,而輸出電流為流過R3和R5的電流之和,所以此時輸出電流減小,通過閉環(huán)反饋從而抑制了輸出電流的增加,以達到恒流的作用,其恒流過程如下:


            當電流增大時的原理與此相同,所以通過閉環(huán)反饋抑制了輸出電流的變化,以實現(xiàn)恒流的目的。

            2.1.2 定量分析


            由式(13)可知,輸出電流與輸入電壓成正比。根據(jù)小功率BJT參數(shù)測試要求,可以取R1,R2為2 kΩ,R3,R5為1 kΩ,則R4取2 kΩ,此處所用電阻均采用千分之一以上的精密電阻。當輸入電壓Vin為-5~+5 V時,輸出電流為-5~+5 mA,在實際測試中也可根據(jù)具體的測試情況選取電阻的值,以滿足實際測試所需電流的大小。

            2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

            數(shù)/模轉(zhuǎn)換采用美國TI公司推出的12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1201KP-V,其內(nèi)部的邏輯部分采用5 V供電,輸出運放電源使用±10 V,內(nèi)部自帶基準電源;其數(shù)據(jù)接口適合4位,8位,12位,16位總線的微處理器;最大轉(zhuǎn)換時間為7μs。

            根據(jù)不同的電路連接形式,其輸出電壓范圍可以是0~+10 V,±5 V和±10 V。當雙極性輸出為-5~+5 V時,輸人數(shù)字量D與輸出的模擬電壓VOUT之間的關(guān)系為:


            式(14)中,VFS為滿量程值。根據(jù)式(14)可以算出當雙極性輸出-5~+5 V時,輸出電壓的分辨率為2.44 mV。

            DAC1201的具體應用參見文獻[4],根據(jù)設(shè)計要求,在輸出電壓-5~+5 V時,其與8位微控制器AT89S52的接口電路如圖3所示。其與單片機的接口采用雙緩沖方式,第一級緩沖時單片機通過地址線A9,A10,A11并配合WR寫信號將12位數(shù)據(jù)分3次送入DAC1201的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),第二次緩沖時單片機通過A8和WR的配合將12位數(shù)據(jù)從DAC1201的緩沖區(qū)送人DAC寄存器啟動D/A轉(zhuǎn)換。


            2.3 軟件設(shè)計

            DAC1201的控制程序主要任務是將12位數(shù)據(jù)分3次送入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),然后將數(shù)據(jù)送入DAC寄存器并啟動D/A轉(zhuǎn)換。由圖3可知NA的地址為F7FFH,NB的地址為FBFFH,NC的地址為FDFFH,LDAC的地址為FEFFH。系統(tǒng)程序采用C語言編寫,D/A控制程序流程圖如圖4所示。


            3 測試結(jié)果

            測試時選用的電源是DH1723-1,電壓表是HP3468A,對V/I轉(zhuǎn)換線性特性和穩(wěn)流特性進行測試。

            3.1 V/I轉(zhuǎn)換線性特性測試

            測試時,理論上應采用直接測量電流的方法,將HP3468A型萬用表選擇在電流檔,并與負載串聯(lián),但HP3468A的電流檔精度不夠,精度只能達到0.01 mA,所以通過測量電壓然后間接測量電流的方式進行測量。當R1,R2為2 kΩ,R3R5為1 kΩ,則R4取2 kΩ,負載是1 kΩ(所有電阻為千分之一精密電阻,負載實測電阻為0.999 69 kΩ)時實測的輸入電壓與輸出電流的關(guān)系如表1所示。

            3.2 穩(wěn)流特性測試

            當輸入電壓為1.003 71 V,改變負載電阻值,考慮到小功率三極管共射放大模式時其輸入電阻為幾千歐姆,所以使負載電阻的大小從150 Ω到5 kΩ變化時測量輸出電流隨負載變化的情況,其測試的數(shù)據(jù)如表2所示。


            從表1可以看出輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系,輸出電流與理論值相比較其相對誤差最大為1.881 9e—4。

            由表2可知,在負載電阻阻值改變時,輸出電流變化很小,與理論計算的電流值比較,其相對誤差最大為3.486 9×10-4。


            4 結(jié)語

            根據(jù)BJT參數(shù)測試儀的要求設(shè)計高精度的數(shù)控微電流源,該電流源數(shù)控部分采用開環(huán)控制,V/I部分采用閉環(huán)控制,使輸出的電流與輸入電壓達到了很好的線性關(guān)系。并且輸出電流的負載變化率較小,穩(wěn)定性很好,該數(shù)控電流源已成功的運用到BJT參數(shù)測試儀中,并取得了較好的應用效果。



          關(guān)鍵詞: BJT 三極管

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