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[導(dǎo)讀]在數(shù)字式BJT(Bipolar Junction Transistor,雙極面結(jié)型晶體管)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中為了準(zhǔn)確測(cè)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(cè)三極管的基極加合適的偏置電壓,并且所加的偏置電壓根據(jù)測(cè)試的具

在數(shù)字式BJT(Bipolar Junction Transistor,雙極面結(jié)型晶體管)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中為了準(zhǔn)確測(cè)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(cè)三極管的基極加合適的偏置電壓,并且所加的偏置電壓根據(jù)測(cè)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BJT的基極輸入電流較小,對(duì)其進(jìn)行取樣、處理過(guò)程中需要較大放大倍數(shù)的直流放大器,放大器設(shè)計(jì)較困難,而且零漂、干擾較大,會(huì)增大參數(shù)的測(cè)試誤差;在實(shí)際使用時(shí)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(jì)了滿足小功率BJT參數(shù)測(cè)試要求的雙極性高精度數(shù)控微電流源,預(yù)置電流直接送入被測(cè)三極管的基極,這樣就不需對(duì)基極電流進(jìn)行采樣,不但簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),而且減小了系統(tǒng)測(cè)試誤差。

1 數(shù)字式BJT參數(shù)測(cè)試原理

根據(jù)BJT主要特性參數(shù)的定義設(shè)計(jì)的數(shù)字式BJT參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括測(cè)試模塊(圖1中虛線框中的部分)和控制模塊。測(cè)試模塊主要完成集電極電流以及vBE和vCE等的取樣及信號(hào)調(diào)理;控制模塊主要實(shí)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(cè)量放大倍數(shù)時(shí),微控制器通過(guò)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(guò)數(shù)控電壓源為三極管的集電極提供適當(dāng)?shù)募姌O電壓vC。現(xiàn)假設(shè)通過(guò)的集電極電流為iC,iC經(jīng)集電極取樣電阻取樣后進(jìn)行差動(dòng)放大,這樣就可以得到與iC成正比的電壓信號(hào)kiC(k為放大系數(shù)),再將該信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(guò)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(cè)量誤差的傳遞公式和相對(duì)誤差定義可得:

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

2 數(shù)控電流源設(shè)計(jì)及工作原理

基于以上要求這里設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源以微控制器為核心,通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器控制由運(yùn)算放大器構(gòu)成的壓控電流源(VCCS)實(shí)現(xiàn)。

2.1 VCCS的工作原理

由運(yùn)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(fù)載一端直接接地,所以又叫Howland電流泵。它通過(guò)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(yùn)算放大器采用低噪聲精密運(yùn)放OP27。

2.1.1 定性分析

在圖2的電路中,有2個(gè)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(fù)載電阻減小而引起輸出電流增大,則節(jié)點(diǎn)c,d的電壓升高,則流過(guò)R2,R4的電流ID,IE增大,因R2不變,則節(jié)點(diǎn)a的電壓升高,根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”的概念,節(jié)點(diǎn)b的電壓也要升高,在相同輸入電壓的情況下,此時(shí)流過(guò)電阻R1的電流減小,再根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”的概念,則流過(guò)R3的電流也要減小,而輸出電流為流過(guò)R3和R5的電流之和,所以此時(shí)輸出電流減小,通過(guò)閉環(huán)反饋從而抑制了輸出電流的增加,以達(dá)到恒流的作用,其恒流過(guò)程如下:

當(dāng)電流增大時(shí)的原理與此相同,所以通過(guò)閉環(huán)反饋抑制了輸出電流的變化,以實(shí)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(cè)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(dāng)輸入電壓Vin為-5~+5 V時(shí),輸出電流為-5~+5 mA,在實(shí)際測(cè)試中也可根據(jù)具體的測(cè)試情況選取電阻的值,以滿足實(shí)際測(cè)試所需電流的大小。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

數(shù)/模轉(zhuǎn)換采用美國(guó)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(yùn)放電源使用±10 V,內(nèi)部自帶基準(zhǔn)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(shí)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(dāng)雙極性輸出為-5~+5 V時(shí),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(dāng)雙極性輸出-5~+5 V時(shí),輸出電壓的分辨率為2.44 mV。

DAC1201的具體應(yīng)用參見(jiàn)文獻(xiàn)[4],根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在輸出電壓-5~+5 V時(shí),其與8位微控制器AT89S52的接口電路如圖3所示。其與單片機(jī)的接口采用雙緩沖方式,第一級(jí)緩沖時(shí)單片機(jī)通過(guò)地址線A9,A10,A11并配合WR寫(xiě)信號(hào)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(shí)單片機(jī)通過(guò)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(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

DAC1201的控制程序主要任務(wù)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(dòng)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(yǔ)言編寫(xiě),D/A控制程序流程圖如圖4所示。

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)選用的電源是DH1723-1,電壓表是HP3468A,對(duì)V/I轉(zhuǎn)換線性特性和穩(wěn)流特性進(jìn)行測(cè)試。

3.1 V/I轉(zhuǎn)換線性特性測(cè)試

測(cè)試時(shí),理論上應(yīng)采用直接測(cè)量電流的方法,將HP3468A型萬(wàn)用表選擇在電流檔,并與負(fù)載串聯(lián),但HP3468A的電流檔精度不夠,精度只能達(dá)到0.01 mA,所以通過(guò)測(cè)量電壓然后間接測(cè)量電流的方式進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)R1,R2為2 kΩ,R3R5為1 kΩ,則R4取2 kΩ,負(fù)載是1 kΩ(所有電阻為千分之一精密電阻,負(fù)載實(shí)測(cè)電阻為0.999 69 kΩ)時(shí)實(shí)測(cè)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(cè)試

當(dāng)輸入電壓為1.003 71 V,改變負(fù)載電阻值,考慮到小功率三極管共射放大模式時(shí)其輸入電阻為幾千歐姆,所以使負(fù)載電阻的大小從150 Ω到5 kΩ變化時(shí)測(cè)量輸出電流隨負(fù)載變化的情況,其測(cè)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(duì)誤差最大為1.881 9e—4。

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

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)BJT參數(shù)測(cè)試儀的要求設(shè)計(jì)高精度的數(shù)控微電流源,該電流源數(shù)控部分采用開(kāi)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(dá)到了很好的線性關(guān)系。并且輸出電流的負(fù)載變化率較小,穩(wěn)定性很好,該數(shù)控電流源已成功的運(yùn)用到BJT參數(shù)測(cè)試儀中,并取得了較好的應(yīng)用效果。

 

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