BJT參數測試儀中數控微電流源研究與實(shí)現

　　本文介紹了滿(mǎn)足小功率BJT參數測試要求的雙極性高精度數控微電流源，預置電流直接送入被測三極管的基極，這樣就不需對基極電流進(jìn)行采樣，不但簡(jiǎn)化了電路設計，而且減小了系統測試誤差。

　　在數字式BJT(Bipolar Junction Transistor，雙極面結型晶體管)參數測試系統中為了準確測量交直流放大倍數、輸入/輸出特性曲線(xiàn)等特性參數，需要在被測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測試的具體參數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，對其進(jìn)行取樣、處理過(guò)程中需要較大放大倍數的直流放大器，放大器設計較困難，而且零漂、干擾較大，會(huì )增大參數的測試誤差;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。為此設計了滿(mǎn)足小功率BJT參數測試要求的雙極性高精度數控微電流源，預置電流直接送入被測三極管的基極，這樣就不需對基極電流進(jìn)行采樣，不但簡(jiǎn)化了電路設計，而且減小了系統測試誤差。

　　1 數字式BJT參數測試原理

　　根據BJT主要特性參數的定義設計的數字式BJT參數測試系統原理框圖如圖1所示。該系統主要包括測試模塊(圖1中虛線(xiàn)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等的取樣及信號調理;控制模塊主要實(shí)現數控電流源、數控電壓源的控制以及數據的采集、LCD液晶顯示器的控制等。測量放大倍數時(shí)，微控制器通過(guò)控制數控電流源為三極管基極提供合適的基極電流iB;通過(guò)數控電壓源為三極管的集電極提供適當的集電極電壓vC?，F假設通過(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kiC(k為放大系數)，再將該信號送入A/D轉換器進(jìn)行模/數轉換，微控制器讀入采樣的電壓值，并根據數控電流源提供的基極電流iB通過(guò)BJT直流放大倍數的定義式(1)即可算出直流放大倍數。

　　由式(1)并根據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。對交流放大倍數進(jìn)行測試時(shí)，只需在測量直流放大倍數的基礎之上再測試一次ic，由2次測試的結果可算出交流放大倍數。測試輸入、輸出特性曲線(xiàn)以及其他特性參數時(shí)可根據其定義通過(guò)該系統測試相關(guān)參數，在微控制器中通過(guò)計算、處理就可以得到相應的曲線(xiàn)和參數。

　　2 數控電流源設計及工作原理

　　基于以上要求這里設計的數控電流源以微控制器為核心，通過(guò)數/模轉換器控制由運算放大器構成的壓控電流源(VCCS)實(shí)現。

　　2.1 VCCS的工作原理

　　由運算放大器構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(guò)電阻反饋網(wǎng)絡(luò )構成了閉環(huán)控制系統，從而使其輸出電流的穩定性好、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(gè)電阻反饋網(wǎng)絡(luò )。在輸入電壓保持不變的條件下，現假設因負載電阻減小而引起輸出電流增大，則節點(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，則節點(diǎn)a的電壓升高，根據運算放大器“虛短”的概念，節點(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，再根據運算放大器“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，以達到恒流的作用，其恒流過(guò)程如下：

　　當電流增大時(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。根據小功率BJT參數測試要求，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(shí)，輸出電流為-5～+5 mA，在實(shí)際測試中也可根據具體的測試情況選取電阻的值，以滿(mǎn)足實(shí)際測試所需電流的大小。

　　2.2 D/A轉換電路設計

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

　　根據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(shí)，輸人數字量D與輸出的模擬電壓VOUT之間的關(guān)系為：

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

　　DAC1201的具體應用參見(jiàn)文獻[4]，根據設計要求，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。其與單片機的接口采用雙緩沖方式，第一級緩沖時(shí)單片機通過(guò)地址線(xiàn)A9，A10，A11并配合WR寫(xiě)信號將12位數據分3次送入DAC1201的數據緩沖區，第二次緩沖時(shí)單片機通過(guò)A8和WR的配合將12位數據從DAC1201的緩沖區送人DAC寄存器啟動(dòng)D/A轉換。

　　2.3 軟件設計

　　DAC1201的控制程序主要任務(wù)是將12位數據分3次送入D/A轉換器的數據緩沖區，然后將數據送入DAC寄存器并啟動(dòng)D/A轉換。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 測試結果

　　測試時(shí)選用的電源是DH1723-1，電壓表是HP3468A，對V/I轉換線(xiàn)性特性和穩流特性進(jìn)行測試。

　　3.1 V/I轉換線(xiàn)性特性測試

　　測試時(shí)，理論上應采用直接測量電流的方法，將HP3468A型萬(wàn)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(guò)測量電壓然后間接測量電流的方式進(jìn)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(shí)測電阻為0.999 69 kΩ)時(shí)實(shí)測的輸入電壓與輸出電流的關(guān)系如表1所示。

　　3.2 穩流特性測試

　　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(shí)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(shí)測量輸出電流隨負載變化的情況，其測試的數據如表2所示。

　　從表1可以看出輸出電流與輸入電壓成線(xiàn)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(shí)，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 結語(yǔ)

　　根據BJT參數測試儀的要求設計高精度的數控微電流源，該電流源數控部分采用開(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到了很好的線(xiàn)性關(guān)系。并且輸出電流的負載變化率較小，穩定性很好，該數控電流源已成功的運用到BJT參數測試儀中，并取得了較好的應用效果。