BJT參數(shù)測(cè)試儀中數(shù)控微電流源研究與實(shí)現(xiàn)

在數(shù)字式BJT(Bipolar Junction Transistor，雙極面結(jié)型晶體管)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中為了準(zhǔn)確測(cè)量交直流放大倍數(shù)、輸入／輸出特性曲線(xiàn)等特性參數(shù)，需要在被測(cè)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(jù)測(cè)試的具體參數(shù)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(duì)其進(jìn)行取樣、處理過(guò)程中需要較大放大倍數(shù)的直流放大器，放大器設(shè)計(jì)較困難，而且零漂、干擾較大，會(huì)增大參數(shù)的測(cè)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(shè)計(jì)了滿(mǎn)足小功率BJT參數(shù)測(cè)試要求的雙極性高精度數(shù)控微電流源，預(yù)置電流直接送入被測(cè)三極管的基極，這樣就不需對(duì)基極電流進(jìn)行采樣，不但簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而且減小了系統(tǒng)測(cè)試誤差。

1 數(shù)字式BJT參數(shù)測(cè)試原理

根據(jù)BJT主要特性參數(shù)的定義設(shè)計(jì)的數(shù)字式BJT參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括測(cè)試模塊(圖1中虛線(xiàn)框中的部分)和控制模塊。測(cè)試模塊主要完成集電極電流以及vBE和vCE等的取樣及信號(hào)調(diào)理；控制模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控電流源、數(shù)控電壓源的控制以及數(shù)據(jù)的采集、LCD液晶顯示器的控制等。測(cè)量放大倍數(shù)時(shí)，微控制器通過(guò)控制數(shù)控電流源為三極管基極提供合適的基極電流iB；通過(guò)數(shù)控電壓源為三極管的集電極提供適當(dāng)?shù)募姌O電壓vC?，F(xiàn)假設(shè)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(hào)kiC(k為放大系數(shù))，再將該信號(hào)送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，微控制器讀入采樣的電壓值，并根據(jù)數(shù)控電流源提供的基極電流iB通過(guò)BJT直流放大倍數(shù)的定義式(1)即可算出直流放大倍數(shù)。

由式(1)并根據(jù)測(cè)量誤差的傳遞公式和相對(duì)誤差定義可得：

由式(2)可知，直流放大倍數(shù)的相對(duì)誤差主要由基極電流和集電極電流的測(cè)量誤差組成，所以為達(dá)到放大倍數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量需要為基極提供高精度電流；另一方面，也需要準(zhǔn)確的檢測(cè)集電極電流。對(duì)交流放大倍數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，只需在測(cè)量直流放大倍數(shù)的基礎(chǔ)之上再測(cè)試一次ic，由2次測(cè)試的結(jié)果可算出交流放大倍數(shù)。測(cè)試輸入、輸出特性曲線(xiàn)以及其他特性參數(shù)時(shí)可根據(jù)其定義通過(guò)該系統(tǒng)測(cè)試相關(guān)參數(shù)，在微控制器中通過(guò)計(jì)算、處理就可以得到相應(yīng)的曲線(xiàn)和參數(shù)。

2 數(shù)控電流源設(shè)計(jì)及工作原理

基于以上要求這里設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源以微控制器為核心，通過(guò)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器控制由運(yùn)算放大器構(gòu)成的壓控電流源(VCCS)實(shí)現(xiàn)。

2.1 VCCS的工作原理

由運(yùn)算放大器構(gòu)成壓控電流源電路如圖2所示，該電路輸出負(fù)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(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使其輸出電流的穩(wěn)定性好、精度高、輸出阻抗低，運(yùn)算放大器采用低噪聲精密運(yùn)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(xiàn)假設(shè)因負(fù)載電阻減小而引起輸出電流增大，則節(jié)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(jié)點(diǎn)a的電壓升高，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”的概念，節(jié)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(jù)運(yùn)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(dá)到恒流的作用，其恒流過(guò)程如下：

當(dāng)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(xiàn)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(jù)小功率BJT參數(shù)測(cè)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(dāng)輸入電壓Vin為-5～+5 V時(shí)，輸出電流為-5～+5 mA，在實(shí)際測(cè)試中也可根據(jù)具體的測(cè)試情況選取電阻的值，以滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)試所需電流的大小。

2.2 D／A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

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

根據(jù)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(dāng)雙極性輸出為-5～+5 V時(shí)，輸人數(shù)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(jù)式(14)可以算出當(dāng)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(yīng)用參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]，根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)的接口采用雙緩沖方式，第一級(jí)緩沖時(shí)單片機(jī)通過(guò)地址線(xiàn)A9，A10，A11并配合WR寫(xiě)信號(hào)將12位數(shù)據(jù)分3次送入DAC1201的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，第二次緩沖時(shí)單片機(jī)通過(guò)A8和WR的配合將12位數(shù)據(jù)從DAC1201的緩沖區(qū)送人DAC寄存器啟動(dòng)D／A轉(zhuǎn)換。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

DAC1201的控制程序主要任務(wù)是將12位數(shù)據(jù)分3次送入D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后將數(shù)據(jù)送入DAC寄存器并啟動(dòng)D／A轉(zhuǎn)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(tǒng)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(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)選用的電源是DH1723-1，電壓表是HP3468A，對(duì)V／I轉(zhuǎn)換線(xiàn)性特性和穩(wěn)流特性進(jìn)行測(cè)試。

3.1 V／I轉(zhuǎn)換線(xiàn)性特性測(cè)試

測(cè)試時(shí)，理論上應(yīng)采用直接測(cè)量電流的方法，將HP3468A型萬(wàn)用表選擇在電流檔，并與負(fù)載串聯(lián)，但HP3468A的電流檔精度不夠，精度只能達(dá)到0.01 mA，所以通過(guò)測(cè)量電壓然后間接測(cè)量電流的方式進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)R1，R2為2 kΩ，R3R5為1 kΩ，則R4取2 kΩ，負(fù)載是1 kΩ(所有電阻為千分之一精密電阻，負(fù)載實(shí)測(cè)電阻為0.999 69 kΩ)時(shí)實(shí)測(cè)的輸入電壓與輸出電流的關(guān)系如表1所示。

3.2 穩(wěn)流特性測(cè)試

當(dāng)輸入電壓為1.003 71 V，改變負(fù)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(fù)載電阻的大小從150 Ω到5 kΩ變化時(shí)測(cè)量輸出電流隨負(fù)載變化的情況，其測(cè)試的數(shù)據(jù)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(duì)誤差最大為1.881 9e—4。

由表2可知，在負(fù)載電阻阻值改變時(shí)，輸出電流變化很小，與理論計(jì)算的電流值比較，其相對(duì)誤差最大為3.486 9×10-4。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)BJT參數(shù)測(cè)試儀的要求設(shè)計(jì)高精度的數(shù)控微電流源，該電流源數(shù)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(dá)到了很好的線(xiàn)性關(guān)系。并且輸出電流的負(fù)載變化率較小，穩(wěn)定性很好，該數(shù)控電流源已成功的運(yùn)用到BJT參數(shù)測(cè)試儀中，并取得了較好的應(yīng)用效果。