《電子測量技術(shù)》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(dǎo)體二極管、三極管與場效應(yīng)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(gè)二端元件或一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)的一對輸入端施加一激勵(lì)電壓信號(直流或交流),將產(chǎn)生一個(gè)電流,這時(shí)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(shí),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(shí)際的元件是復(fù)雜的,每一種元器件在高頻工作時(shí)都會(huì)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(shí)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(shí)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(gè)理想電阻與一個(gè)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(shí)定義:

Q用于表征元件存儲(chǔ)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(yīng)用最多的元件之一,常應(yīng)用于對電流信號進(jìn)行分流或?qū)﹄妷盒盘栠M(jìn)行分壓。電阻的最主要參數(shù)是標(biāo)稱阻值和額定功率。標(biāo)稱阻值是指電阻上標(biāo)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(shù)參數(shù)可以直接標(biāo)注在電阻的表面,這種標(biāo)示法稱為直標(biāo)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(biāo)示法。

圖4.5電阻的標(biāo)注

電阻的另一種標(biāo)示法是色環(huán)法,即將電阻的類別和主要技術(shù)參數(shù)的數(shù)值用相應(yīng)的顏色(色環(huán))標(biāo)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(guān)系及詳細(xì)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(jìn)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(shí)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(dāng)對電阻的測量精度要求很高時(shí),可用直流電橋進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)電阻,Rx為被測電阻,G為檢流計(jì)。測量時(shí),通過調(diào)節(jié)RN,使電橋平衡,即檢流計(jì)指示為零。此時(shí)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(gè),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(yīng)的能力的大小。。它的定義是,當(dāng)線圈中及其周圍不存在鐵磁物質(zhì)時(shí),通過線圈的磁通量與流過線圈的電流成正比,這個(gè)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(shí),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(shí)會(huì)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(shí),若忽略電感的損耗,則電感成為理想電感,可以按照復(fù)數(shù)形式的歐姆定律進(jìn)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(jìn)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(lì)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(shí)反復(fù)調(diào)節(jié)R1、R2、Cn,使電橋達(dá)到平衡,檢流計(jì)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(xué)可知,電感與電容可以組成諧振電路,諧振時(shí)電路中的感抗與容抗相等,電抗為零。若已知激勵(lì)源頻率,且電感與電容中有一個(gè)為已知量,則可測出另一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)電容。測量時(shí),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(shí)頻率f1,這時(shí)有

由于式中C0未知,因此需進(jìn)行第二次測量,此時(shí)不接入電容C,對應(yīng)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(zhǔn)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(biāo)識(shí)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(chǔ)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(guān)。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(dú)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(biāo)注方法

和電阻的標(biāo)注方法相類似,電容的標(biāo)注方法有直標(biāo)法和色標(biāo)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(lì)信號源,L為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)可反

復(fù)調(diào)節(jié)信號源頻率,使電壓表讀數(shù)最大,這時(shí)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(jìn)行測量。這時(shí)被測電容器可等效為一個(gè)理想電容與一個(gè)較大的電阻相并聯(lián)的模型。實(shí)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(shí)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(dá)到諧振,將新的調(diào)諧電容的值記為C2,新的Q值為Q2,這時(shí)有

3)用轉(zhuǎn)化法測量

現(xiàn)代電子測量技術(shù)中常用轉(zhuǎn)換法來對電容進(jìn)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(guān)系,如果將被測電容作為振蕩電容,則可以構(gòu)成一個(gè)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(jìn)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(dòng)平衡電橋法,其原理如圖4.17所示。

圖4.17自動(dòng)平衡電橋法阻抗測量原理

4.2半導(dǎo)體二極管、三極管與場效應(yīng)管的測量

4.2.1半導(dǎo)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(guān)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(shí),二極管的PN結(jié)會(huì)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(shí)容許承受的最大反向電

壓,超過此電壓時(shí)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(dǎo)通電阻。在二極管的兩端施加合適的正向直流電壓使其導(dǎo)通,這時(shí)該電壓與流過二極管的電流之比稱為導(dǎo)通電阻。

(5)極間電容。二極管是點(diǎn)或面接觸型器件,兩極之間存在電容效應(yīng)。

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(yīng)電池正端,“+”端對應(yīng)電池負(fù)端。內(nèi)部電池這樣設(shè)計(jì),是為了保證在電阻測量時(shí)流入萬用表的電流與進(jìn)行電壓或電流測量時(shí)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(shí),將二極管作為一個(gè)分壓器來檢測。當(dāng)二極管的正、負(fù)極與數(shù)字萬用表紅、黑表筆相接時(shí),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(dǎo)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(shè)計(jì)一些適應(yīng)性電路與通用儀表相結(jié)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(shí),對小信號輸入電流進(jìn)行線性放大,或者控制大信號(開關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)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(dú)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(shí)的動(dòng)態(tài)特性。晶體管特性圖示儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)管的測量

場效應(yīng)管是一種電壓控制型半導(dǎo)體器件。與晶體三極管不同,場效應(yīng)管具有極高的輸入阻抗,故其在工作時(shí)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(yīng)管也有三個(gè)電極,分別為柵極、漏極和源極,分別用G、S、D表示。

場效應(yīng)管可分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管。場效應(yīng)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(dǎo)gM。場效應(yīng)管的參數(shù)可以從半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)管的I。圖4.23(b)是測量場效應(yīng)管夾斷電壓的簡易電路。當(dāng)UGG為零時(shí),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(yīng)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(diǎn)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(yùn)算放大器是最常用的一種線性集成電路芯片。掌握了運(yùn)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(yùn)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(dāng)Uin--Uin+=0時(shí),Uo=0。

圖4.24基本的運(yùn)算放大電路

(1)運(yùn)算放大器開環(huán)輸入阻抗的測量。運(yùn)算放大器的輸入阻抗由兩輸入端之間和每個(gè)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(dāng)運(yùn)算放大器作為反相放大器使用時(shí),同相輸入端接,Rc?Rin,可以近似認(rèn)為差分輸入阻抗即為其輸入阻抗。

圖4.25運(yùn)算放大器輸入阻抗

測量運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(gè)1kΩ電阻換成2個(gè)Rx,測得運(yùn)算放大器的輸出交流電壓為Uo2,從而有

圖4.26運(yùn)算放大器開環(huán)輸入阻抗測量電路

(2)運(yùn)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?yàn)锳v=Uo/Ui,且

所以

(3)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率(Sr)的測量。運(yùn)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(yùn)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(biāo)測量?？梢圆捎门c測量運(yùn)算放大器的特性參數(shù)相類似的方法,設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(jìn)行對照,這是在線測試法的理論核心。

用方法①與②測試時(shí),如發(fā)現(xiàn)某個(gè)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(shí)甚至斷開引腳檢查。如確認(rèn)外圍無誤,

則可認(rèn)定芯片有損。用方法③測試時(shí),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(shí)μPC1353各引腳對地電壓如表4.5所示。

圖4.29μPC1353應(yīng)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(shí)間、延遲時(shí)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(shù)要求設(shè)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(guān)系與時(shí)序關(guān)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(shè)計(jì)、驗(yàn)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