场效应晶体管参数测试仪的设计

1、西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计（论 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1 引言 . 12 总体方案设计 . 23 硬件电路设计 . 43.1 输出特性曲线的测试 . . 43.1.1 漏极扫描电压 . 53.1.2 栅极阶梯电压 . 73.1.3 测量点及测量方式 . 93.1.4 输出特性曲线测试电路的整合 . 103.2 场效应晶体管的参数测试 . . 113.2.1 结型场效应晶体管的夹断电压VP . 113.2.2 绝缘栅型场效应晶体管的开启电压V T .

2、 163.2.3 饱和漏电流I DSS . 173.2.4 低频跨导测量方法 . 173.3 转移特性曲线的测试 . . 183.3.1 漏极稳压电源 . 193.3.2 栅极扫描电压 . 193.3.3 转移特性的测量 . 203.4 保护电路设计 . . 203.4.1 过流和过压保护 . 203.4.2 其他保护措施 . 223.5 单片机端口的连接 . . 224 软件设计与流程图 . 234.1 软件设计 . . 234.2 软件流程图 . . 245 结论 . 255.1 各模块的测试结果 . . 255.2 综合测试 . . 255.3 总结 . . 26 致 谢 . 错误！未定

3、义书签。参考文献 . 27 附件 . 错误！未定义书签。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

4、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（I DSS ）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：场效应晶体管、参数测试、保护电路、51单片机AbstractComparing with ordinary transistor, the field-effect transistor has many advantages, such as high input impedance, low noise figure, good thermal stability and large

5、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 elect

6、ronics, 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 o

7、f 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 curv

8、e 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

9、 the device under test and measurement systems.Key Words: Field Effect Transistor(FET, Parametric test, Protection circuit, 51 Microcontroller Unit(51 MCU1 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

10、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(BRDS ，最大栅源电压(V(BRGS 。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（I DSS ）、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

11、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。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

12、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。 图2.1 总体方案框图由于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。3 硬件电路设计3.1 输出特性曲线的测试输出

13、特性是指在栅源电压V GS 一定的情况下，漏极电流i D 与漏源电压V DS 之间的关系，即G DS (V |S D V i f =常数公式（3-1）i D /mA DSi D DS 123(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V GS 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

14、。所以去也称为线性放大区。区称为击穿区。它的特点是，当V DS 增至一定的数值（V (BRDS）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，i D 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i D 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。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

15、 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。 图3.2 锯齿波电路原理C 1 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。 图3.4 通过控制变压器初级线圈电压波形得到扫描电压

16、方案三：直接用工频变压器将市电降压至峰-峰值V p-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。 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

17、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。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

18、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。 R52K R62KR72K R42KR22KR32K R82K+Vref-VrefV1V2V3V4V5V6图3.6 用CD4051产生阶梯电压CD4051的导通电阻较小（R on 为欧姆级），远小于反向偏压PN 结或绝缘栅的电阻。而且场

19、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V out 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V REF =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

20、运放的输出端立即得到转换值。 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。 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：/2

21、22456D A GSREF V V V V V V R R R -+=公式（3-3） 可算得：V GS =(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。V V 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V DS 和漏源电

22、流i DS ，而每条曲线又对应一个栅极电压V GS 。测量V DS 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i DS 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i DS 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）。 图3.10 测试参数及测试点由于V GS 一直是一个定量的值，所以每一条曲线的V GS 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

23、77;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。 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V GS 时间段，V DS 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V GS 值下，V DS 没有达到最高电压20V 或没有达到最低电压0V 。 V V V V (a(b图3.12 测试信号示意图(a理想情况下的测试信号(b

24、实际中可能遇到的问题为了解决此种情况，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。 V VV V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

25、，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V GS =0，当V DS 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V P 来描述。由于V GS =0，则有V GD =V DS =VP 。当V GS 0时，在预夹断点A 处V P 与V GS 、V DS 之间有如下关系：V GD =VGS V DS =VP公式（3-5） V DDS图3.14 结型场效应管的预夹断但是实际在测量V P 时，通常令V DS 为某一固定值（例如10V ），

26、使i D 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。 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

27、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。（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

28、.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。 1K0V0V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i D 。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

29、漏源电压V DS （V DS 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V DS 稳定。V 的输出 图3.17 反馈电压采样点由于P 沟道的管子的V DS 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。 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（78X

30、X 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 。 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

31、，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：V ADJ =(1.25/R1R2=1.25(R2/R1，所以V OUT =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V OUT 的最低输出电压只有1.25V 。 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

32、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 可调。 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，V R1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

33、。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V GS 后，V DS 由于有采样电阻而随之改变的问题。但如果I DS 变化很小，可以忽略这个改变量。测量

34、时可以随时调整稳压电路的输出电压，使V DS =10V。两种稳压电源都各有优势。采用开关电源调到正确的V DS 后可以自动稳定V DS 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i DS 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i DS 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

35、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V T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V T 。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I DS 过大，否则

36、可能会烧坏仪器或发生其它安全事故。3.2.3 饱和漏电流I DSS在V GS =0的情况下，当V DS >|VP |时的漏极电流称为饱和漏电流I DSS 。在测量时，通常令V DS =10V，V GS =0V时测出的i D 就是I DSS 。对于JEFT 来说，I DSS 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V DS 为10V ，V GS 为0V ，此时测得的i D 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

37、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）。 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V DS =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V GS 等于常数时，漏极电

38、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：DS Dm GS V i g V = 公式（3-6）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g m 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I DSS 和V P 近似算得，所以测得I DSS 和V P 后就可得到g m 的值。如公式3-7：21GS DSS P m GSV d I V g dV - = 21GS DSS P P V I V V - =-（当V P V GS 0时） 公式（3-7）跨导是一个随着管子的工作点不同而变化的一个参数，因

39、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V DS 和V GS 。首先，将V DS 调到固定的值，然后改变V GS ，测量i D 的变化，再根据公式（3-6）算出准确的g m 。 V GSDSD m GS V i V =图3.23 跨导g m 的测量原理（以N 沟道结型场效应管为例）3.3 转移特性曲线的测试场效应晶体管属于电压控制器件，它除了用输出特性及一些参数来描述其性能外，由于栅极输入端基本上没有电流，故讨论它的输入特性是没有意义的。所谓转移特性是在一定漏源电压V DS 下，栅极电压V GS 对漏极电流i D 的控制特性，既( |DS D GS V i

40、f V =常数 公式（3-8）由于输出特性曲线和转移特性曲线都是反映场效应管的同一物理过程，所以转移特性曲线可以直接从输出特性曲线上用作图法求出。这里因为条件足够，可以直接用电路在示波器上将转移特性曲线描绘出来。下面给出测试转移特性曲线的电路和方法。3.3.1 漏极稳压电源根据公式（3-8），可知需要在被测管子的漏源之间加上一个稳定的漏源电压。在上一小节已讨论过这个问题，大多数结型场效应管的饱和漏电流（I DSS ）都在毫安级，所以采样电阻的分压效果不明显，与V DS 相比可以忽略不计（V DS 在伏级）。因此，此处的稳压电源可以和测量开启电压等参数的稳压电源共享一个电源。注意测量绝缘栅型场效

41、应晶体管的转移特性曲线时栅极电压V GS 不能设置过大。3.3.2 栅极扫描电压同测量输出特性曲线一样，测试转移特性曲线的时候也需要在栅极加一个扫描电压。但是这个扫描电压的要求没有测量输出特性时的扫描电压要求苛刻，首先正常情况下栅极的电流极小，不用像漏极扫描电压那样要求输出大电流。再次，转移特性只要绘制一条曲线就可以了。所以扫描的频率相对可以低一些，并且不用考虑阶梯信号和扫描频率的相位移问题。同样，这里的扫描电压也可以同测量输出特性曲线电路里的扫描电压一样，直接从工频变压器里引出扫描电压，波形稳定，电压变化连续，扫描效果较理想。但是利用这种方式有两个缺点，一是扫描电压不好设置，二是电压不能从负

42、电压扫描到正电压，或者从正电压扫描到负电压。解决这两个问题可以从前面的电路得到灵感，前面电路中栅极电压是靠D/A输出的电压与偏移电压相加后输出作为栅极电压的。因此，在这也完全可以利用这方式来得到扫描电压。在单片机的一个八位P 口设置扫描电压的最大值，然后每次让D/A的值加一。输出的电压精度能达到0.04V ，扫描频率可以利用延时来设置。同样，用偏移电压加上D/A输出电压的方式，就能得到由负电压到正电压的扫描信号。 + =D/A输出偏移电压相加后电压图3.24 栅极扫描电压3.3.3 转移特性的测量测量转移特性主要是看在一定V DS 的条件下，V GS 和i D 的关系曲线。测量时，先将V DS

43、 调至所需测量点的电压，设置好V GS 的最大扫描值。然后将V GS 信号输入示波器的X 轴，i D 采样电路得到的值输入到示波器的Y 轴。示波器设置成X-Y 模式就能看到转移特性曲线了。3.4 保护电路设计一个完整的、功能全面的系统都必须给系统设计合理有效的保护电路。保护电路能够保护被测器件的安全，也能保护设备不被意外情况给损坏，有时候甚至能保护操作人员的安全。3.4.1 过流和过压保护过流保护和过压保护是电路设计中最常用的保护措施，可以防止短路或者测试人员误操作带来的意外事故的发生。本文中，在设计317稳压电路的时候就运用到了限流电路，这就是一种过流保护的措施。当电流大于设定的限定电流时，

44、电压会直接被拉低，电路不再具有输出能力。这种电路是利用了芯片的自带保护功能或者根据芯片的一些特性设计得到的。它们具有可靠性高、电路简单、功能健全等特点。但在实际应用中，更多的时候电路和芯片并没有这种自我保护的功能。这时候就需要设计者给系统设计一个可靠性高，功能健全的保护电路。保护电路可以很简单（如发光二极管的限流电阻），有时候也很复杂（特别是保护后能自动排除故障自动恢复的电路）。给电路设计一个合适的保护电路是一个很大的课题。这里给电路设计了一个手动可恢复的保护电路，将过流保护信号或者过压保护信号输入到这个保护电路，电路就会控制继电器（或者其他保护元件和措施）断开过流或过压电路的回路。 V图2.

45、25 可手动恢复的保护电路正常情况下，过流/过压信号为高电平，输出低电平。当电路发生过流/过压时，过流/过压信号被拉到低电平，使D 触发器清零，端输出高电平，D 触发器通过三极管控制继电器断开。继电器断开后过流/过压状态消除，过流/过压信号又回到高电平。但是D 触发器不动作，一直处于保护状态。如果此时按下复位键会给D 触发器的时钟端一个上升沿，触发器进行动作，输出低电平，继电器闭合。如果此时故障排除电路进入正常状态，否则又会由于过流或者过压而进入保护状态。PRE 端的接法可以保证D 触发器上电后端输出低电平。过压信号的产生可以设计一个比较器电路，当分压后的电压超过参考电压（参考电压是可设置的保

46、护电压，超过保护电压后电路进入保护状态）时比较器输出低电平，否则输出高电平。比较器电路是一个反相比较器，将参考电压输入比较器正端，采样电压输入比较器负端。过流信号采集要依赖于采样电阻，采样电阻将过流信号转换为电压信号送给比较器。 图3.26 过流/过压信号比较器3.4.2 其他保护措施电路的常用保护措施除了过流和过压保护还有很多其它的常用保护措施，如在设备的电压总输入端接上保险管。还有很多对器件的保护措施。如图3.21中的二极管D6，可以在电源输入端突然断电时保护317芯片不被大的反向电压烧坏。D5可以在电路故障或者别的特殊情况下保护317芯片，以免317芯片的输出电压过高而使芯片烧坏。同样的

47、道理，在其他稳压芯片（电路中还用到了7812、7912和7805芯片）同样要加上二极管。值得一提的是，电路中的继电器的电源输入端需要做一个隔离处理，可以再继电器的电源输入端之前串联上一个电感。这也是一种电路保护的措施，因为继电器在闭合或断开时都有可能使电源电压波动，而烧坏其他器件（如D 触发器和51单片机）。用电感做电源隔离可以抑制这种波动在电路中的传播，使波动只出现在继电器处。3.5 单片机端口的连接单片机做成最小系统后还有很多端口可以使用，这里需要一个八位的P 口用来输出一个八位的值给D/A芯片。将两个端口接上两个按键，分别是手动调节V GS 的加值键和减值键。用一个八位的P 口当作输入端，来控制曲线的条数。控制器用一个八位开关来实现，这样就能使电路最多输出8条输出特性曲线。另一个八位的P 口也作为输入端，同样用一个八位开关来控制阶梯电压的压差值或者设置栅极扫描电压的最大值。同时还要用三个I/O端口作为测试功能转换的控制端。这样总共用了29个I/O端口，而最小系统的I/O有32个。值得注意的是P0如果作为输出端口的话输出能力较低，并且要加上拉电阻。此处建议，为了电路的可靠性，输出端口都加上拉电阻。4 软