场效应晶体管参数测试仪的设计

西西 安安 邮邮 电电 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题 目： 场效应晶体管参数测试仪的设计 院 （系）： 电子工程学院 专 业： 集成电路设计与集成系统 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 目录目录 1 1 引言引言.1 2 2 总体方案设计总体方案设计.2 3 3 硬件电路设计硬件电路设计.4 3.1 输出特性曲线的测试.4 3.1.1 漏极扫描电压.5 3.1.2 栅极阶梯电压.7 3.1.3 测量点及测量方式.9 3.1.4 输出特性曲线测试电路的整合.10 3.2 场效应晶体管的参数测试.11 3.2.1 结型场效应晶体管的夹断电压 VP.11 3.2.2 绝缘栅型场效应晶体管的开启电压 VT.16 3.2.3 饱和漏电流 IDSS.17 3.2.4 低频跨导测量方法.17 3.3 转移特性曲线的测试.18 3.3.1 漏极稳压电源.19 3.3.2 栅极扫描电压.19 3.3.3 转移特性的测量.20 3.4 保护电路设计.20 3.4.1 过流和过压保护.20 3.4.2 其他保护措施.22 3.5 单片机端口的连接.22 4 4 软件设计与流程图软件设计与流程图.23 4.1 软件设计.23 4.2 软件流程图.24 5 5 结论结论.25 5.1 各模块的测试结果.25 5.2 综合测试.25 5.3 总结.26 致致 谢谢.27 参考文献参考文献.28 附件附件.29 I 摘 要 场效应晶体管与普通晶体管相比，具有输入阻抗高、噪声系数小、热稳 定性好、动态范围大等优点。它是一种压控器件，具有与电子管相似的传输 特性。随着电子技术的飞速发展，场效应晶体管尤其是 MOSFET 已广泛应用 于电源、计算机、通信、汽车电子、工业控制及消费类电子产品等领域。因 此，对场效应晶体管相关参数的测试技术和测试手段的研究尤为重要。 本文介绍一种场效应晶体管参数测试仪的设计方法。以 51 单片机为控 制核心，通过测量电路将场效应晶体管的参数显示在示波器或数字显示表上。 系统由阶梯电压信号、扫描电压、可调稳压电源、保护电路等模块组成。可 以准确测量场效应晶体管的输出特性曲线、转移特性曲线、开启电压（夹断 电压） 、饱和漏源电流（IDSS）等参数。系统设计了保护电路，可以有效监测 器件的测量状态，并使用过流/过压保护功能来保护被测器件和测量系统的安 全。 关键词：关键词：场效应晶体管、参数测试、保护电路、51 单片机 II Abstract Comparing with ordinary transistor, the field-effect transistor has many advantages, such as high input impedance, low noise figure, good thermal stability and large dynamic range, which is a voltage-controlled device with the similar transmission properties of electron tube. With the rapid development of electronic technology, field-effect transistor, especially MOSFET has been widely used in the field of power supply, computer, communications, automotive electronics, industrial control and consumer electronics products. Therefore, research on testing techniques and test means of field-effect transistor parameters is particularly important. This article describes the design of a field effect transistor parameter tester. 51 microcontroller for the control of the core, the field-effect transistor measurement circuit parameters are displayed on the oscilloscope or digital display table. The system consists of the step voltage signal, the scan voltage adjustable power supply protection circuit module. Can accurately measure the output characteristic curve of the field effect transistor input characteristic curve, the turn-on voltage (pinch- off voltage), the parameters of the saturated drain-source current (IDSS). System protection circuit design, measurement state of the device can detect and over- current protection function to protect the safety of the device under test and measurement systems. Key Words: Field Effect Transistor(FET), Parametric test, Protection circuit, 51 Microcontroller Unit(51 MCU) 1 1 引言 场效应晶体管参数测试仪主要是用来准确测量场效应晶体管的参数，帮 助设计人员设计出功能可靠的电路。 场效应晶体管可以分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管，它 们又分别有 N 沟道和 P 沟道两种类型，绝缘栅型场效应晶体管还有增强型和 耗尽型的区分。在实际工程的应用中，结型场效应晶体管只有耗尽型的，绝 缘栅型场效应晶体管大多数属于增强型的。 场效应晶体管的部分主要参数：12 (1)直流参数 饱和漏极电流(IDSS)，夹断电压(VP)，开启电压(VT)， 通态电阻(RDS-on)。 (2)交流参数 低频跨导(gm)，极间电容。 (3)极限参数 最大漏源电压 (V(BR)DS)，最大栅源电压(V(BR)GS)。 目前，市场上的场效应晶体管参数测试仪能测量的主要参数有：开启电 压（夹断电压） 、漏源电流（IDSS） 、跨导、漏极耐压测试（只能测大概范围， 比如说大于某个值）等3。 场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线可以反映整个晶体管的性 能，使被测器件更直观，更全面的被工程师了解。本课题设计完成了一种基 于 51 单片机的场效应晶体管参数测试仪，该测试仪不仅能准确测量出场效 应晶体管的主要参数，而且能显示场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性 曲线。 场效应晶体管参数测试仪的设计 2 2 总体方案设计 由于本设计需要测量场效应晶体管的主要参数和特性曲线，所以电路需 要显示输出特性曲线，测量电压，测量电流。 显示特性曲线通常有两种方法： 方法一：用微处理器控制 A/D 转换器将数据采集后，经过串口或其他通 信接口传输到计算机，在计算机上利用软件将数据解码并以曲线的形式显示 在屏幕上。 方法二：将扫描电压和对应的电流信号直接输入到示波器，利用示波器 的 X-Y 工作方式显示波形。 方法一中利用计算机显示特性曲线时，测试电路相对比较复杂，A/D 转 换器也会带来测量误差，还需要在计算机上设计相对应的测试软件，因此可 靠性有所降低。采用将扫描电压直接输入到示波器进行显示的方式，不仅电 路简单，显示效果良好，而且可靠性更高。因此本设计采用第二种方法显示 特性曲线。 电压、电流的测量可以采用市场常见的数字面板表进行测量。数字面板 表测量精度高，范围广，工作电压低，使用起来十分方便。 经过多次仿真和试验验证，最终设计方案如图 2.1 所示。 选择开关 51单 片机 DA 转 换 器 变压器 采样电阻 加法器 偏移电压 可调稳压 电路 电 源 曲线条 数选择 开关 阶梯电 压压差 选择开 关 手动调 节栅极 电压按 钮 漏极电压 测试点 漏源电流 测试点 栅极电压 测试点 保护电路 图 2.1 总体方案框图 场效应晶体管参数测试仪的设计 3 由于 MCU 的控制工作量不大，速度要求也不是十分高，不涉及到数据 采集的问题，所以最常见的 51 单片机是最好的选择。现在的 51 单片机资源 多，代码容量大，开发简单，输出能力强，完全能满足系统的要求。 场效应晶体管参数测试仪的设计 4 3 硬件电路设计 3.1 输出特性曲线的测试 输出特性是指在栅源电压 VGS一定的情况下，漏极电流 iD与漏源电压 VDS之间的关系，即 公式（3-1） G DS (V )| S DV if 常数 iD/mA VDS/V 0 4 8 10 12 16 0.2 0.4 0.6 0.8 预预夹夹断断轨轨迹迹 VGS=0V iD/mA VDS/V 0 4 8 12 16 20 1 2 3 VGS=3V 4V 5V (a)(b) 图 3.1 场效应晶体管的输出特性曲线 (a) N 沟道 JFET 的输出特性(b) N 沟道增强型 MOSFET 输出特性 如图 3.1 所示分别为 N 沟道 JFET 的输出特性曲线和 N 沟道增强型 MOSFET 输出特性曲线。图中，管子的工作情况可以分为三个区域。 在区中，场效应晶体管可以看作一个受栅源电压 VGS控制的可变电阻。 故称之为可变电阻区。 区称为饱和区或者恒流区，场效应晶体管用作放大电路时，一般就工 作在这个区域。所以去也称为线性放大区。 区称为击穿区。它的特点是，当 VDS增至一定的数值（V(BR)DS）后， 由于加到沟道中的耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的 PN 结发生 雪崩击穿，iD迅速上升。进入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快烧 毁。所以，不允许管子工作在这个区域。 在测量特性曲线时，可以在漏极加上扫描电压，同时根据扫描电压的频 率在栅极同时加上一个阶梯电压。这样，将漏极电压输入到示波器的 X 轴， 把 iD通过采样电阻输入到示波器的 Y 轴，就可以在示波器上绘制出场效应晶 体管的输出特性曲线。 场效应晶体管参数测试仪的设计 5 3.1.1 漏极扫描电压 对图 3.1 中的输出特性曲线分析，测试时需要在漏极加上 0V 到 20V 或 者 0V 到-20V 的扫描电压。 关于扫描电压波形问题：按照正常情况，能得到锯齿波或者三角波的扫 描波形是最理想的，但是要得到输出负载电流较大的锯齿波或者三角波都比 较困难。可以考虑设计一个输出电流较大的正弦波，或者上升/下降时间比较 大的大电流扫描电压。 方案一：用运算放大器设计一个锯齿波发生器，再利用大功率三极管或 者场效应晶体管将得到的锯齿波进行扩流。 迟滞比较器 充放电控制 电路 积分电路 图 3.2 锯齿波电路原理 3 2 6 74 U1 OP07 -12V +12V 3 2 6 74 U2 OP07 -12V +12V R3 5.1K R2 10K D3 1N4148 D4 1N4148 Rw POT2 D1 ZENER3 D2 ZENER3 R4 20K Rb POT2 R1 8.4K R5 20K C1 223 图 3.3 锯齿波发生器电路图 方案二：用开关电源的思想，控制变压器初级线圈的电压波形，在初级 线圈上加上方波，次级线圈上就可以感应出合适的扫描波形，而且输出电流 可以做到很大。 场效应晶体管参数测试仪的设计 6 20V Vout 图 3.4 通过控制变压器初级线圈电压波形得到扫描电压 方案三：直接用工频变压器将市电降压至峰-峰值 Vp-p=40V 的正弦波电 压。此方案不仅波形稳定性好，而且只要降压变压器功率足够大，输出电流 可以做到很大。 220V 图 3.5 使用工频变压器降压得到扫描电压 综上所述，方案一输出的波形最好，能输出稳定的锯齿波，频率和电压 幅度都方便调整。但是电路复杂，输出电流往往不能做得很大。方案二扫描 波形最差，但是电路相对方案一简单得多，而且频率也可调，克服了方案一 电流做不大的缺点。方案二中的方波也容易得到（用 51 单片机就可以 PWM 波） ，但是对变压器要求太高，实际中要得到合适的变压器并不容易。方案 三选取了一个折中的办法，牺牲频率可调，得到了比较好的扫描波形和大电 流输出的好处。因此选取了方案三，工频变压器在市场上非常常见，而且峰- 峰值为 40V 的变压器也很常见（用输出电压为 15V 的工频变压器代替即可） 。 但是选择方案三会遇到示波器显示可能闪屏的问题，因为显示的曲线条数较 多的时候，每条曲线的扫描频率低于 24Hz。为了解决此问题，显示的时候可 以采用数字示波器。数字示波器相比传统的荧光屏示波器，多了一个波形保 持功能，在显示的时候只要将波形保持 1 秒，就能得到很好的扫描效果。 场效应晶体管参数测试仪的设计 7 3.1.2 栅极阶梯电压 根据图 3.1 中的输出特性曲线，测试时还需要在栅极加上一个阶梯电压。 经过对场效应晶体管众多类型和型号的分析，有的场效应晶体管需要正 的栅极电压，有的需要负的栅极电压。为了显示完整的输出特性曲线，有的 管子需要将栅极电压从负的增加到正的，有的需要将栅极电压从正的减小到 负的。 方案一：采用美国国家半导体公司的 8 路模拟电子开关 CD4051。将正 负稳压电压用精密电阻将其分压成 8 份，分别输入到 CD4051 的 8 个输入端 I/O(0-7)，CD4051 的控制端 INH、A、B、C 接单片机的 P 口，通过单片机就 可以选择输出电压的值。如图 3.6 所示。 4 1 6 2 COM 3 7 4 5 5 INH 6 V EE 7 V SS 8 C 9 B 10 A 11 3 12 0 13 1 14 2 15 V DD 16 U 2 CD4051 R5 2K R6 2K R7 2K R4 2K R2 2K R3 2K R8 2K +12V -12VP1.0 P1.1 P1.2 R1 10K +5V +Vref -Vref V1 V2 V3 V4 V5 V6 V1 V2 V3 V4 V5 V6 +Vref -Vref Vout P0.0 图 3.6 用 CD4051 产生阶梯电压 CD4051 的导通电阻较小（Ron为欧姆级） ，远小于反向偏压 PN 结或绝缘 栅的电阻。而且场效应管是电压控制电流器件，虽然 CD4051 的输出电压不 高（微安级4） ，但完全可以满足栅极电压要求。 此方案只要利用单片机对 CD4051 的 A、B、C 端进行控制，就可以在 Vout 端得到八种不同的电压，控制好输出频率就可以得到需要的阶梯电压信 号。 方案二：利用单片机控制 D/A 转换器输出阶梯电压信号。D/A 转换器精 度高，转换速率快，应用广泛。假设 D/A 的参考电压 VREF=10V，选取 8 位 的 D/A 转换，电压的分辨率能达到毫伏级，远远超过测试电路的要求。选用 场效应晶体管参数测试仪的设计 8 美国国家半导体公司的 DAC08325芯片，连接成如图 3.7 所示的直通工作模 式。在直通工作模式下，当单片机给 DAC0832 芯片发送数据时，能在运放 的输出端立即得到转换值。 - 2 + 3 4 6 8 7 1 U 4 O P07 V cc 20 Iout1 11 lsbD I0 7 Iout2 12 D I1 6 D I2 5 Rfb 9 D I3 4 D I4 16 V ref 8 D I5 15 D I6 14 m sbDI7 13 ILE 19 WR2 18 CS 1 WR1 2 X fer 17 A GN D 3 D GN D 10 U 2 D AC0832 VC C Vref +12V +12V -12V P 0.0 P 0.1 P 0.2 P 0.3 P 0.4 P 0.5 P 0.6 P 0.7 R11 10K R10 10K R9 10K R8 10K R7 10K R6 10K R5 10K R4 10K VC C 图 3.7 DAC0832 的直通工作电路图 前面提到过，要满足所有种类的常用型号场效应晶体管的栅极阶梯信号 比较复杂。方案一虽然电路简单，但功能太过于简单，阶梯信号的分辨率不 高，不容易得到适合各种管子的阶梯电压信号。方案二虽然电路较复杂，但 是电压分辨率高，转换速率快。在 D/A 电路后面再加一级反相加法运算电路， 就可以加上偏移电压，能有效满足绝大多数场效应晶体管的输出特性曲线测 量时栅极需要的阶梯电压的条件。 3 2 6 74 U 3 O P07 R5 20K R6 20K -12V +12V Vgs R7 51 R4 20k R3 10K R1 5.1K R2 5.1K +Vref -Vref VD/A Vref V3 V2 图 3.8 反相加法运算电路 如图 3.8 所示，为反相加法运算电路。可以实现偏移电压与 D/A 的输出 电压相加的功能。 根据虚短有：V2=V3=0V公式（3-2） 根据虚断有：公式（3-3） / 222 456 D AGSREF VVVVVV RRR 场效应晶体管参数测试仪的设计 9 可算得：VGS=(VREF+VD/A)公式（3-4） 在 DAC0832 的参考电压端输入正向参考电压时，D/A 电路的运算放大 器输出负电压，反之运算放大器输出正电压。所以，控制 DAC0832 转换器 参考端电压的正负就能得到负向减小或者正向增加的电压。再让 DAC0832 和运算放大器输出的电压与正的或者负的偏移电压相加，就能等到各种满足 要求的栅极阶梯电压，如图 3.9 所示。 t VGS 0 2V 4 6 8 10 t VGS 0 2 4 6 8 -2V t VGS 0 -2 -4 -6 -8 -10 t VGS 0 -2 -4 -6 -8 2 (a)(b) (c)(d) 图 3.9 加上偏移电压之后的部分栅极阶梯电压波形图 3.1.3 测量点及测量方式 输出特性曲线在示波器上显示的参数有漏源电压 VDS和漏源电流 iDS，而 每条曲线又对应一个栅极电压 VGS。 测量 VDS只要将场效应晶体管的漏极和电源地引出测试点分别送给示波 器 X 轴的正端和负端就可以。 测量 iDS可以在场效应晶体管的漏极串联一个 1 欧姆的精密采样电阻， 这样 iDS正好以一比一的比例转换成了示波器能显示的电压信号。 测试示意图如图 3.10 所示（以绝缘栅型 N 沟道场效应晶体管为例） 。 1 iD VDS 场效应晶体管参数测试仪的设计 10 图 3.10 测试参数及测试点 由于 VGS一直是一个定量的值，所以每一条曲线的 VGS可以根据单片机 给的数字信号和偏移电压的值直接算出。 3.1.4 输出特性曲线测试电路的整合 电路中需要一个正的稳压电压和一个负的稳压电压，经过计算和实验， 选择10V 的稳压电压比较合适。可以采用稳压二极管 1N4740 搭建正负稳 压电路，电路简单，稳压效果良好，电路图如图 3.11 所示。 S1 SW-SPD T R1 2K -12V D 1 1N4740 R2 2K +12V D 2 1N4740 +10V -10V Vref 图 3.11 正负稳压电路 在测试电路工作时，最理想的情况是：在每一个固定的 VGS时间段， VDS正好从 0V 扫描到 20V 或者正好从 20V 扫描到 0V，如图 3.12（a）所示。 但是电路的协同性不可能这么好，很可能出现扫描电压提前或者延迟的情况， 如图 3.12（b）所示。从图中可以看，出此时扫描电路在有的 VGS值下，VDS 没有达到最高电压 20V 或没有达到最低电压 0V。 t t VDS VGS 20V 0 0 2 4 6 8 10 t t VDS VGS 20V 0 0 2 4 6 8 10 (a)(b) 图 3.12 测试信号示意图 (a)理想情况下的测试信号(b)实际中可能遇到的问题 场效应晶体管参数测试仪的设计 11 为了解决此种情况，有两种解决办法。一种是搭建一个比较器，为电路 加上一个协同电路。在比较器的一端接上衰减后的扫描信号（衰减是为了能 检测到扫描信号最高电压） ，另一端接上参考电压（参考电压比衰减后的扫 描信号的最高电压稍微小点） ，将比较器的输出作为同步信号，输入到单片 机。单片机根据同步信号产生同步的栅极阶梯信号。另一种办法是加长阶梯 信号持续时间，将阶梯信号持续时间增加到一个周期。在一个周期之内，无 论相位差多少，扫描电压都会有 0V 到 20V 或 20V 到 0V 的扫描过程，如图 2.13 所示。 t t VDS VGS 20V 0 0 2 4 t t VDS VGS 20V 0 0 2 4 图 3.13 改进后的扫描电压和阶梯信号 由于第二种方法实现简单，而且完全满足电路要求，故采用第二种方法 解决此问题。 3.2 场效应晶体管的参数测试 3.2.1 结型场效应晶体管的夹断电压 VP 在结型场效应管中，令 VGS=0，当 VDS增加到使晶体管两边的耗尽层相 遇时（图 3.14 中的 A 点） ，称为预夹断，A 点称为预夹断点。此时，A 点耗 尽层两边的电位差用夹断电压 VP来描述。由于 VGS=0，则有 VGD=VDS=VP。当 VGS0 时，在预夹断点 A 处 VP与 VGS、VDS之间有如下 关系： VGD=VGSVDS=VP 公式（3-5） 场效应晶体管参数测试仪的设计 12 A 耗 尽 层 耗 尽 层 VDD G D S 图 3.14 结型场效应管的预夹断 但是实际在测量 VP时，通常令 VDS为某一固定值（例如 10V） ，使 iD等 于一个微小的电流（例如 50A）时，栅源之间所加的电压就是夹断电压。 根据测量原理，测量系统需要给漏源之间提供一个大电流稳压电源，给 栅极提供一个精度较高的稳定电压。 a栅极电压 由于结型场效应晶体管工作时的栅极是出于 PN 结反向偏置状态，所以 电流很小，电阻很大。采用稳压二极管搭建稳压电路，用精密电阻分压即可 满足基本要求。 R39 500 R26 1K Vgs2 R40 500 R27 200 -Vref +Vref R1 2K -12V D 1 1N4740 R2 2K +12V D 2 1N4740 图 3.15 稳压二极管组成的可调稳定电压 但是这种电路对电阻要求高，精度较低。这里可以参考前面电路，同样 用 D/A 电路来输出栅极可调电压。方法是：在单片机的 I/O 口上连接上两个 按键，一个控制电压升高，一个控制电压降低，每次增加或减少的电压可以 通过另外一个八位的 P 口来设置。如果将最小增减值设置成 1 的话，输出电 压精度将达到 0.04V。 b漏源电压 在测量过程中，由于漏源电流比较大，所以并不能采用如栅极电压那种 方式来获取稳定的漏源电压。获取大电流稳定电源的方式一般有两种，开关 电源和线性稳压芯片。 场效应晶体管参数测试仪的设计 13 （1） 用开关电源搭建稳定的大电流电源 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 芯片、大功率开关管和滤波电路构成。 TL4946是常用的一款脉冲宽度调制控制芯片，它是一种固定频率脉宽 调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双 管式、半桥式、全桥式开关电源。 图 3.16 是 TL494 的一种应用电路7，通过反馈电压（图中未画出反馈电 路，后面将再讨论反馈电路）与芯片自带基准电压分压后的电压做比较来控 制开关管 IRF540 的通断，得到稳定电压输出，此电路能输出的电流在 2A 以 上。 +V1 1 -V1 2 +V2 16 -V2 15 COMP 3 DTC 4 CT 5 RT 6 C1 8 C2 11 OC 13 VREF 14 E1 9 E2 10 VCC 12 GND 7 U 5 T L494 C17 104 R33 1k R56 100kR63 5k R62 5K R64 47k R60 2K R66 1M C18 104 R65 1K R61 2K +12v Vback vctrl R67 200 Q 2 IRF540 +20V R48 100 R47 100 C4 104 R55 100K T 1 1:3 D 31N5400 D 4 1N5400 +C15 500uF/50V +C16 500uF/50V +C19 50uF/50V +C20 50uF/50V GND +Vds2 -Vds2 图 3.16 用 TL494 搭建的开关电源电路 在图 3.16 中没有画出反馈电路，这里对反馈点进行讨论。由于在测量夹 断电压时，还需要时刻关心漏源电流 iD。所以，在测试电路中必然还要引入 电流采样电路（电流采样电路后面再讨论） 。引入电流采样电路后（一般都 需要引入采样电阻） ，采样电阻肯定会有一定分压。也就是说，如图 3.17 所 示，如果反馈电压采样点选在图中 A 点，当电流比较大时，会影响漏源电压 VDS（VDS会变小） 。但如果将采样点选在被测管子的漏极（B 点）的话，完 全可以克服这个问题，因为开关电源会自动调整输出电压使 VDS稳定。 场效应晶体管参数测试仪的设计 14 电流采样电阻 VGS A B 开关电源 的输出 图 3.17 反馈电压采样点 由于 P 沟道的管子的 VDS需要稳定的负电压，但是 TL494 又只能提供 +5V 的参考电压，因此需要把采样到的电压都转化为正向电压才能使 TL494 正常工作，所以考虑使用取绝对值电路实现这个功能。如图 3.18 所示，是一 种常用的取绝对值电路，此电路取绝对值后有一定的压降，但是不影响此处 的电路功能。 3 2 6 74 U1 OP07 -12V +12V 3 2 6 74 U2 OP07 R3 1K D2 DIODE D1 DIODE R4 2K -12V +12V R2 1K R1 1K Vout Vin 图 3.18 取绝对值电路 （2） 用线性稳压芯片搭建稳定的大电流电源 常用的线性稳压芯片有固定线性稳压芯片（78XX 系列和 79XX 系列） ， 和可调线性稳压芯片（如 LM317 和 LM337） 。固定线性稳压芯片和可调线性 稳压芯片都可以搭建成可调电源，7805 输出的最高电压能达到 35V，LM317 最高输出电压能达到 37V。 场效应晶体管参数测试仪的设计 15 V in 1 GND 2 V out 3 U 17805 R2 1K R1 5.1K U 2 T L431 +20V -12V 2.515V 图 3.19 用 7805 和 TL431 构成可调稳压电源电路 7805 芯片调压其实是利用浮地电压做参考电压来调整输出电压的， TL431 的工作原理是调整稳压端（图 3.19 中与 7805 的地端相连）的电压， 使参考端（图中接在 R1 和 R2 中间）电压维持在 2.49V 左右。因此，当 R1 取值为 0 欧姆时，稳压端会使电压降到-2.5V 左右，此时 7805 输出的对地电 压是 2.5V 左右。当 R1 取值最大时，同样的原理，7805 输出的对地电压为 15V 左右。这种浮地电路的缺点是稳定性会降低，而且采用 7805 芯片电源 的对地电压很难做到从 0V 开始输出。 LM317 是三端可调正稳压器集成电路，LM317 工作时输出端和参考端 有固定的电压差 1.25V。如图 3.20 所示，只要调节 R2 的阻值就可使 LM317 的参考端的电压随之变化，公式为：VADJ=(1.25/R1)R2=1.25(R2/R1)，所以 VOUT=1.25(1+R2/R1)。它的电压输出稳定性相对浮地的 7805 来说有很大的提 高，但是根据公式可知 VOUT的最低输出电压只有 1.25V。 1 23 317 U 1317 R1 390 R2 5.1K +20V1.2518V 图 3.20 三端可调正稳压器 317 的基础电路 根据数据手册8给的参考电路和 LM317 的性能，可以设计如图 3.21 所 示可调限流和输出电压的电路，限流从 0A 到 1.25A 可调，电压从 0V 到 18V 场效应晶体管参数测试仪的设计 16 可调。 1 23 317 U1 317 R1 1/5W R2 1K D1 1N4001 D2 1N4001 Q1 2N3822 1 23 317 U2 317 R3 5.1K Q2 2N5640 R4 390 D5 1N4001 C2 10u D6 1N4007 C1 CAP C3 105 D3 1N4002 D4 1N4002 +20V -12V 0-18V 图 3.21 可调限流和输出电压的电路 前一个 LM317 芯片构成一个恒流源电路。在 D1、D2 两端的压降为固定 值，1.4V 左右，由于 R2 和 D1、D2 是并联的，所以通过调节 R2 的阻值可 以得到 0V 到 1.4V 之间的任何电压。当 R2 划到最顶端时，VR1得到的电压 是 1.25V（1.25V 为 LM317 芯片输出端和参考端之间的固定电压） ，LM317 的输出电流恒定在 1.25A。当 R2 往下划至 R2 上部分的分压大于 1.25V 时， R1 上的分压为零，此时 LM317 没有电流输出。当电路的输出端电流大于所 限定的电流时，第一个 LM317 芯片组成恒流电路会迅速将输出电压降低， 使电路达到限定电流的作用。在这里 Q1 的接法为恒流接法，可以保证二极 管的正向导通的稳压性能，从而改善 01.25V 低压段间的稳压性能。Q2 的 作用与 Q1 相同。 后一个 LM317 芯片是稳压作用，原理与 LM317 的基础电路相同。 D3、D4 和 Q2 组成一个 1.4V 稳定压降电路，所以参考端的最低电压能降到- 1.4V，使电压可以从 0V 开始输出。D5 和 D6 起保护作用，调节 R3 可以调 节输出电压。 此种方法同样面临改变 VGS后，VDS由于有采样电阻而随之改变的问题。 但如果 IDS变化很小，可以忽略这个改变量。测量时可以随时调整稳压电路 的输出电压，使 VDS=10V。 两种稳压电源都各有优势。采用开关电源调到正确的 VDS后可以自动稳 定 VDS的电压，但是电路复杂。开关电源一般都是用高频变压器，频率相对 来说较高，所以在制作 PCB 板时应注意走线和电路的隔离，以免给后面的 iDS采样电路带来干扰。这里采用的是第二种方法，第二种方法的优势在于可 场效应晶体管参数测试仪的设计 17 以限流，不仅保护了器件，也能保护仪器以免短路烧坏。 c漏源电流 iDS的测量 同样，利用 1 欧姆的采样电阻对电流进行采样。采样电压在微伏级，示 波器或者其他仪器都不能直接识别出微伏级的电压。因此，应该用放大电路 将采样电压信号进行放大后再测量。为了消除共模电压对放大电路的影响， 所以将采样电阻串联在接地端。放大电路用运放搭建四级放大电路，总共放 大 10000 倍，使电压放大到毫伏级。 3.2.2 绝缘栅型场效应晶体管的开启电压 VT 绝缘栅型场效应晶体管当没有加栅极电压时，漏、源极之间电流为零。 N 沟道绝缘栅型场效应晶体管工作时，需要在栅极加上正电压，栅极电压的 变化可以控制漏、源极之间的电流变化。当栅极电压增加到刚有漏-源电流出 现时，称此时的栅极电压为阈值电压或者开启电压 VT。 绝缘栅型场效应晶体管开启电压的测量方式和结型场效应晶体管的夹断 电压测试的方式大同小异。因此，测量电路也是一样的。绝缘栅型场效应晶 体管开启电压测试的时候应该注意不能让 IDS过大，否则可能会烧坏仪器或 发生其它安全事故。 3.2.3 饱和漏电流 IDSS 在 VGS=0 的情况下，当 VDS|VP|时的漏极电流称为饱和漏电流 IDSS。在 测量时，通常令 VDS=10V，VGS=0V 时测出的 iD就是 IDSS。对于 JEFT 来说， IDSS也是管子所能输出的最大电流。 结型场效应晶体管的测量电路完全可以和测量夹断电压的电路共用，只 要将设置成 VDS为 10V，VGS为 0V，此时测得的 iD就是饱和漏电流。由于结 型场效应晶体管的饱和漏电流较大，可以适当降低放大倍数再测量，上面采 用的是四级放大电路，可以将每一级的输出都引出，以便调整放大倍数。 绝缘栅型场效应晶体管的饱和漏电流比较小，室温下在一微安之内。所 以普通放大电路会给测量带来较大的误差，而且放大倍数过的大的放大电路 稳定性会明显降低（频带也降低，但这里可以不用考虑） 。 场效应晶体管参数测试仪的设计 18 - 2 + 3 6 U 2 O P27 Vou t Q 1 MO SFE T P R1 10K VD S 图 3.22 测量微小饱和漏电流电路 采用如图 3.22 所示电路测量微小饱和漏电流能有效降低测量电路带来的 一些误差。根据虚短原理，2 号管脚的电压等于 3 号管脚，相当于接地，此 时加在管子漏源之间的电压等于 10V（测量时 VDS=10V） 。再根据虚断原理， 饱和漏电流会全部流过反馈电阻 R1，输出电压就等于饱和漏电流乘以 R1 的 阻值，电流就转换成了电压，放大倍数就等于 R1 的阻值。 3.2.4 低频跨导测量方法 在 VGS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微 变量之比称为跨导，用公式可表示为： 公式（3-6） DS D m GS V i g V 跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性曲线上 工作点的斜率。跨导 gm是表征场效应晶体管放大能力的一个重要参数。 跨导根据定义，结型场效应管的跨导可以由 IDSS和 VP近似算得，所以 测得 IDSS和 VP后就可得到 gm的值。如公式 3-7： 2 1 GS DSS P m GS V d I V g dV （当 VPVGS0 时） 公式（3-7） 21 GS DSS P P V I V V 跨导是一个随着管子的工作点不同而变化的一个参数，因此在测量一个 管子的跨导时应该先注意它的具体工作状态。根据工作状态，选择正确的 VDS和 VGS。首先，将 VDS调到固定的值，然后改变 V