《電子測量技術》課件-第4章

第4章電子元器件與集成電路測量4.1電阻、電感和電容的測量4.2半導體二極管、三極管與場效應管的測量4.3集成電路的測試

4.1電阻、電感和電容的測量

4.1.1阻抗的概念如圖4.1所示,在一個二端元件或一個無源網(wǎng)絡的一對輸入端施加一激勵電壓信號(直流或交流),將產(chǎn)生一個電流,這時我們將電壓與電流之比稱為阻抗。

圖4.1阻抗的示意圖

電抗的特性一般隨頻率的變化而變化。在直流時,電感性器件的電抗為零,電容性器件的電抗為無限大。圖4.2所示的是三種基本元件電阻、電感、電容的理想模型。實際的元件是復雜的,每一種元器件在高頻工作時都會在不同程度上顯示所有三種特性。圖4.3所示即為電阻、電感、電容的實際等效電路。

圖4.2理想的電阻、電感、電容

圖4.3電阻、電感、電容的實際等效電路

為了討論問題的方便,通常將阻抗元件等效為一個理想電阻與一個理想電感或理想電容相串聯(lián)的形式,如圖4.4所示。圖4.4感抗與容抗元件的等效

同時定義:

Q用于表征元件存儲與消耗能量之比,常稱為品質(zhì)因數(shù)。對于電感,有

對于電容,有

顯然,R越小,Q值越大,電感和電容越接近理想電感和理想電容。

4.1.2電阻的特性與測量

1.電阻的參數(shù)和種類

電阻是電路中應用最多的元件之一,常應用于對電流信號進行分流或?qū)﹄妷盒盘栠M行分壓。電阻的最主要參數(shù)是標稱阻值和額定功率。標稱阻值是指電阻上標注的電阻值;額定功率是指電阻在一定條件下長期連續(xù)工作所允許承受的最大功率。

電阻的種類繁多,按制作材料可分為碳膜電阻、金屬膜電阻與線繞電阻;按外形可分為固定電阻和可調(diào)電阻;按精度可分為普通電阻與精密電阻;按用途可分為普通電阻、壓敏電阻、溫敏電阻和濕敏電阻等。此外,還有無感電阻、貼片電阻等,它們都有不同的用途。

電阻的類別和主要技術參數(shù)可以直接標注在電阻的表面,這種標示法稱為直標法。如圖4.5(a)所示電阻為碳膜電阻,阻值為100Ω,精度為1%。圖4.5(b)所示為電阻額定功率的直接標示法。

圖4.5電阻的標注

電阻的另一種標示法是色環(huán)法,即將電阻的類別和主要技術參數(shù)的數(shù)值用相應的顏色(色環(huán))標注在電阻的表面上。如圖4.5(c)所示。其中,第一、第二色環(huán)表示電阻倍乘的量值;

第三環(huán)表示倍乘的冪值,將第一、第二、第三色環(huán)分別用x、y、z表示,則電阻阻值為R=(10x+y)×10z,第四色環(huán)表示電阻的誤差。色環(huán)法中各種顏色代表的量值如表4.1所示。

表4.2列出了貼片電阻封裝英制和公制的關系及詳細的尺寸。

0201、0402規(guī)格的貼片電阻由于其面積太小,通常上面都不印字;0603、0805、1206、1210、1812、2010、2512規(guī)格的貼片電阻上面印有3位數(shù)或者4位數(shù),具體含義如下。

2.電阻的測量

對于阻值固定且在低頻下工作的電阻,可根據(jù)歐姆定律對其進行測定。只要測得電阻兩端的電壓以及流過電阻的電流,即可由歐姆定律R=U/I求出電阻的實際數(shù)值。圖4.6給出了兩種利用電流表和電壓表測量電阻的方法。

圖4.6電阻測量的基本電路

當對電阻的測量精度要求很高時,可用直流電橋進行測量。一種叫惠斯登電橋的測量方法原理如圖4.7所示,圖中R1、R2是固定電阻,R1/R2=K,RN為標準電阻,Rx為被測電阻,G為檢流計。測量時,通過調(diào)節(jié)RN,使電橋平衡,即檢流計指示為零。此時有

也即

所以有

圖4.7惠斯登電橋測電阻

4.1.3電感的特性與測量

1.電感的種類與參數(shù)

電感的主要參數(shù)有三個,即電感量、品質(zhì)因數(shù)和分布電容。

(1)電感量。電感線圈的電感量L表示線圈產(chǎn)生自感應的能力的大小。。它的定義是,當線圈中及其周圍不存在鐵磁物質(zhì)時,通過線圈的磁通量與流過線圈的電流成正比,這個比值稱為線圈的電感量。

(2)品質(zhì)因數(shù)。電感的等效電路如圖4.3所示。電感損耗電阻為R,在一定頻率的交流電壓下工作時,電感所呈現(xiàn)的感抗與損耗電阻R之比,稱為電感的品質(zhì)因數(shù)Q,即

R越小,Q值越高。較高的品質(zhì)因數(shù)是高頻電路對諧振線圈的基本要求。

(3)分布電容。由于制作工藝的原因,電感線圈的匝與匝之間密切接觸,存在著一定量的分布電容,在高頻時會使線圈的穩(wěn)定性變差,Q值下降。分布電容越小越好。

2.電感的測量

1)利用通用儀器測量

在低頻工作時,若忽略電感的損耗,則電感成為理想電感,可以按照復數(shù)形式的歐姆定律進行測量。其方法是在交流電壓工作條件下,利用電壓表和電流表測出加于電感兩端的電壓U和流過電感的電流I,則有ωL=U/I,如圖4.8所示。

圖4.8用通用儀器測量電感示意圖

2)交流電橋法測量

在低頻情況下,若電感的損耗不可忽略,則可以用交流電橋進行測量。測量電路如圖4.9所示。圖4.9交流電橋法測電感

圖4.9中,Lx與Rx是被測電感的串聯(lián)模型。激勵源u(t)是頻率為50Hz至幾百赫茲的正弦波。R1、R2、Cn是可調(diào)電阻與可調(diào)電容。測量時反復調(diào)節(jié)R1、R2、Cn,使電橋達到平衡,檢流計中無電流通過。根據(jù)平衡方程有

3)用諧振電路測量

由電工學可知,電感與電容可以組成諧振電路,諧振時電路中的感抗與容抗相等,電抗為零。若已知激勵源頻率,且電感與電容中有一個為已知量,則可測出另一個量。測量電路如圖4.10所示。

圖4.10諧振法測電感

圖中L為被測電感,C0為電感分布電容,C為標準電容。測量時,首先調(diào)節(jié)信號源的頻率,使電壓表的讀數(shù)為最大值,記下此時頻率f1,這時有

由于式中C0未知,因此需進行第二次測量,此時不接入電容C,對應的諧振頻率為f2,因此有

所以有

4)用Q表測量

Q表可以用來準確測量電感線圈的Q值與電感量,其基本電路如圖4.11所示。圖4.11用Q表測電感

5)用電子儀表測量

常用的LCR測試儀器測量電感就采用了電感電壓轉(zhuǎn)換法,如圖4.12所示。圖4.12電感電壓轉(zhuǎn)換法測量電感

4.1.4電容的特性與測量

1.電容的參數(shù)、種類與標識方法

1)電容的參數(shù)

電容的主要參數(shù)為電容量和額定工作電壓。電容量表示在單位電壓上電容器能存儲多少電荷。電容量與電容器兩極板的面積成正比,與兩極板的距離成反比,還與兩極板之間的介質(zhì)有關。電容器的工作電壓是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi),電容器能夠長期可靠工作的最高電壓。

2)電容的種類

電容器的種類很多。根據(jù)制作材料來分,有鋁質(zhì)電容、鉭電容、云電容、獨石電容、滌綸電容、瓷片電容等;根據(jù)工作電壓來分,有低壓電容和高壓電容;根據(jù)工作頻率來分,有

低頻電容和高頻電容。此外還有固定電容、可變電容、穿心電容等,可根據(jù)工作條件與要求加以選用。

3)電容的標注方法

和電阻的標注方法相類似,電容的標注方法有直標法和色標法兩種。

2.電容的測量

1)用諧振法測量

電容測量電路如圖4.13所示。圖4.13諧振法測電容

圖中Us為激勵信號源,L為標準電感,Cs

為確定的電感分布電容,R為信號源內(nèi)阻,Cx為被測電容。測量時可反

復調(diào)節(jié)信號源頻率,使電壓表讀數(shù)最大,這時信號源的頻率為f0,由電路諧振條件可知

2)用Q表測量

Q表常用于對在高頻下工作的電容器進行測量。這時被測電容器可等效為一個理想電容與一個較大的電阻相并聯(lián)的模型。實際測量電路如圖4.14所示。

圖4.14用Q表測電容

具體的測量步驟是:首先選定合適的外接電感L0,將Q表的調(diào)諧電容C調(diào)至最大容量附近,調(diào)節(jié)振蕩器頻率使電路諧振,這時諧振頻率為f0,電路Q值為Q1;接著將被測電容Cx跨接于外接電容上,重新調(diào)整調(diào)諧電容,使電路達到諧振,將新的調(diào)諧電容的值記為C2,新的Q值為Q2,這時有

3)用轉(zhuǎn)化法測量

現(xiàn)代電子測量技術中常用轉(zhuǎn)換法來對電容進行更精確的測量。其基本思想是:將電容接入電子線路,通過測量由于電容的變化而引起的其他量的變化來確定電容的值。舉例來說,多諧振蕩器的頻率與振蕩電容有著確定的關系,如果將被測電容作為振蕩電容,則可以構成一個電容頻率轉(zhuǎn)換電路,具體電路如圖4.15所示。圖4.15電容頻率轉(zhuǎn)換電路

更為一般的是采用電容電壓轉(zhuǎn)換電路對電容進行數(shù)字化測量,其原理類似于圖4.12所示的電感測量電路,具體電路如圖4.16所示。圖4.16電容電壓轉(zhuǎn)換電路

4.1.5LCR測試儀

LCR測試儀又稱LCR表,是用于測量電感、電容、電阻、阻抗、Q值等元器件參數(shù)的專用儀器,其基本原理是惠斯登電橋測量法,因而它又被稱LCR電橋。

現(xiàn)代LCR測試儀大都使用自動平衡電橋法,其原理如圖4.17所示。

圖4.17自動平衡電橋法阻抗測量原理

4.2半導體二極管、三極管與場效應管的測量

4.2.1半導體二極管的測量1.二極管的特性、種類與參數(shù)單向?qū)щ娦允嵌O管的根本特性。由于制作材料和使用性能的差異,二極管的種類很多,典型的有開關二極管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。決定二極管作用的主要參數(shù)如下:(1)最大整流電流IFM。在此電流下二極管可以長期正常工作;超過此電流時,二極管的PN結會發(fā)熱并造成損壞。

(2)最大反向工作電壓URM。URM是指二極管在電路中工作時容許承受的最大反向電

壓,超過此電壓時二極管容易被擊穿,造成永久性損壞。

(3)反向電流IR。IR是指二極管處于正常的反向工作電壓下產(chǎn)生的反向電流。

(4)導通電阻。在二極管的兩端施加合適的正向直流電壓使其導通,這時該電壓與流過二極管的電流之比稱為導通電阻。

(5)極間電容。二極管是點或面接觸型器件,兩極之間存在電容效應。

2.二極管的測量

1)用模擬萬用表測量

通常萬用表的紅表筆置于面板上“+”端口,黑表筆置于“-”端口。萬用表在歐姆擋工作,由表內(nèi)電池提供電源,“-”端對應電池正端,“+”端對應電池負端。內(nèi)部電池這樣設計,是為了保證在電阻測量時流入萬用表的電流與進行電壓或電流測量時相同。用模擬萬用表測量二極管的等效電路如圖4.18所示。

圖4.18用模擬萬用表測量二極管

2)用數(shù)字萬用表測量

一般的數(shù)字萬用表(例如VC9801A等)都有二極管測試擋,與模擬萬用表測量二極管不同,用數(shù)字萬用表測量時,將二極管作為一個分壓器來檢測。當二極管的正、負極與數(shù)字萬用表紅、黑表筆相接時,二極管正向?qū)?萬用表指示出二極管的正向?qū)妷?。若將?shù)字萬用表的表筆對調(diào),則二極管不導通,萬用表上顯示的電壓值為2.8V。

3)用通用儀表與適配電路測量

對于二極管的一些重要屬性,萬用表是無法測量的,而專用測試儀表通常又很昂貴。因此可以設計一些適應性電路與通用儀表相結合,如圖4.19所示,以解決二極管測量中的問題。

4)用晶體管圖示儀測量

晶體管特性圖示儀不僅可以測量二極管的大多數(shù)參數(shù),而且能夠以圖形的形式展示二極管的正向伏安特性曲線。

圖4.19用通用儀表測二極管

4.2.2晶體三極管的測量

1.三極管的特征、類型與參數(shù)

在滿足一定的條件時,對小信號輸入電流進行線性放大,或者控制大信號(開關信號)的傳遞,是三極管的基本特征。

三極管有多種類型,按制作材料來分,有鍺三極管和硅三極管;按PN結構來分,有PNP型管和NPN型管;按消耗功率來分,有小功率、中功率和大功率三極管;按工作頻率來分,有低頻三極管、高頻三極管和超高頻三極管;按工作電壓來分,有低反壓三極管和高反壓三極管;按工作特性來分,有普通三極管與開關三極管等。

2.三極管的測量

三極管的測量主要包括兩部分:一部分是晶體管作為獨立器件的重要參數(shù)的測定,另一部分是晶體管電路特性的測量。

1)用萬用表測量

模擬萬用表常用來判定三極管的引腳和好壞。

例如,NPN型三極管可按圖4.20來判定三極管的集電極與發(fā)射極。

圖4.20用萬用表判定三極管的c、e極

2)用晶體管特性圖示儀測量

晶體管特性圖示儀是測量晶體管的專用儀器,可用來測量晶體管的多種直流參數(shù)和低頻工作時的動態(tài)特性。晶體管特性圖示儀的內(nèi)部結構一般有電子管式、晶體管式和集成電

路式三種類型,由基極階梯信號發(fā)生器、集電極掃描電壓發(fā)生器、測試轉(zhuǎn)換與控制電路、顯示單元(包括顯示處理電路和顯示器),如圖4.21所示。

圖4.21晶體管特性圖示儀基本組成原理

圖4.22所示是晶體管圖示儀顯示的小功率三極管9013的c－e極輸出特性曲線。圖4.229013型三極管的ce極輸出特性曲線

4.2.3場效應管的測量

場效應管是一種電壓控制型半導體器件。與晶體三極管不同,場效應管具有極高的輸入阻抗,故其在工作時的輸入電流幾乎為零,輸出電壓的變化取決于輸入電壓的變化。場效應管也有三個電極,分別為柵極、漏極和源極,分別用G、S、D表示。

場效應管可分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管。場效應管的重要參數(shù)是飽和漏極電流IDSS、夾斷電壓UP和轉(zhuǎn)移跨導gM。場效應管的參數(shù)可以從半導體器件手冊上查得,

也可以用專用測量儀器測得。

1.用晶體管特性圖示儀測量

用晶體管特性圖示儀測量場效應管的方法類同于晶體三極管的測量。

2.用通用儀表與適配電路測量

圖4.23(a)中的電流表直接指示出被測場效應管的I。圖4.23(b)是測量場效應管夾斷電壓的簡易電路。當UGG為零時,電路同圖4.23(a)一致。

圖4.23用電流表和適配電路測量場效應管

4.3集成電路的測試

4.3.1中小規(guī)模集成電路的一般測試1.模擬集成電路的測試模擬集成電路是相對于數(shù)字邏輯電路的另一大類集成電路,其特點是處理的主要是模擬信號。

1)線性芯片測試

線性集成電路在其工作范圍內(nèi),僅對輸入信號作一定比例的放大,不丟失原來的頻率分量或產(chǎn)生新的頻率分量。運算放大器是最常用的一種線性集成電路芯片。掌握了運算放

大器特性的測量原理與方法,即掌握了一般線性集成電路的測試方法。理想的運算放大電路如圖4.24所示,該電路具有如下特性:①輸入阻抗Rin=∞;②輸出阻抗Ro=0;③電壓增益Av=∞;④帶寬為∞;⑤當Uin--Uin+=0時,Uo=0。

圖4.24基本的運算放大電路

(1)運算放大器開環(huán)輸入阻抗的測量。運算放大器的輸入阻抗由兩輸入端之間和每個輸入端與地之間的阻抗組成,如圖4.25所示。Rin稱為差分輸入阻抗,Rc稱為共模輸入阻抗。當運算放大器作為反相放大器使用時,同相輸入端接,Rc?Rin,可以近似認為差分輸入阻抗即為其輸入阻抗。

圖4.25運算放大器輸入阻抗

測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗的電路如圖4.26所示。為了避免運算放大器在開環(huán)狀態(tài)下由于輸入失調(diào)電壓的影響而處于飽和狀態(tài),首先調(diào)節(jié)電位器Rw,使得運算放大器輸出直流電壓為0±0.1V,然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓Us,使得運算放大器輸出交流電壓Uo的值在1V附近,記為Uo1。再將圖中兩個1kΩ電阻換成2個Rx,測得運算放大器的輸出交流電壓為Uo2,從而有

圖4.26運算放大器開環(huán)輸入阻抗測量電路

(2)運算放大器開環(huán)增益Av的測量。Av的測量仍采用圖4.26所示的測量電路。因為Av=Uo/Ui,且

所以

(3)運算放大器轉(zhuǎn)換速率(Sr)的測量。運算放大器能夠?qū)⒄倚盘栟D(zhuǎn)化為矩形波,這種大信號的工作特性一般用Sr來表征,可以用示波器來測量。具體測量電路如圖4.27所示。U(t)為低頻(100Hz)方波,Sr=ΔU/Δt。

圖4.27運算放大器轉(zhuǎn)換速率的測量

2)一般模擬集成芯片的測試

(1)性能指標測量。可以采用與測量運算放大器的特性參數(shù)相類似的方法,設計測量一般模擬集成芯片的電路。

圖4.28是單片集成鎖相環(huán)CD4046的測試電路。

圖4.28CD4046性能測試電路

(2)集成芯片的在線測試。在調(diào)試和維修工作中,常常對已焊接在電子線路板上的集成芯片是否正常產(chǎn)生疑問。這時采用在線測試的方法,可以解決大多數(shù)問題。在線測試一般有以下幾種方法:

①電阻測量法:在不加電的情況下,測量功能引腳對地電阻和一些引腳之間的電阻。

②電壓測量法:測量多引腳的直流電壓(對地)。

③信號注入法:從某個引腳注入外部信號,觀察芯片的輸出狀態(tài)。與正常芯片的狀態(tài)進行對照,這是在線測試法的理論核心。

用方法①與②測試時,如發(fā)現(xiàn)某個引腳的電阻或電壓與正常電路該引腳的電阻或電壓的差異較大,則對引腳外圍元件加以檢查。必要時甚至斷開引腳檢查。如確認外圍無誤,

則可認定芯片有損。用方法③測試時,將集成電路內(nèi)部分成幾部分則可以壓縮故障范圍。以調(diào)頻信號解調(diào)芯片μPC1353為例,該芯片內(nèi)部有調(diào)頻/調(diào)幅信號轉(zhuǎn)換電路、檢波電路和高頻功率放大電路,如圖4.29所示,正常時μPC1353各引腳對地電壓如表4.5所示。

圖4.29μPC1353應用電路

2.數(shù)字集成電路的測試

數(shù)字集成電路處理的都是以0、1為特征的數(shù)字電壓。數(shù)字集成電路的電特性主要是數(shù)字電路的電特性,最主要的有輸入電平、輸出電平、輸入電流、輸出電流、轉(zhuǎn)換時間、延遲時間、功率消耗等。對于這些電特性的測試完全可以參照模擬集成電路的測試方法,按照技術要求設置電路工作條件,選用合適的測試儀表來完成。

數(shù)字集成電路的功能,主要體現(xiàn)在邏輯關系與時序關系上。

4.3.2集成電路測試儀

集成電路測試儀(或測試系統(tǒng))是用于集成電路設計、驗證、生產(chǎn)測試的專用儀器(系統(tǒng)),按測試門類可分為數(shù)字