电子元器件与集成电路测量(电子测量技术课件).ppt

第4章电子元器件与集成电路测量 4 1电阻 电感和电容的测量4 2半导体二极管 三极管与场效应管的测量4 3集成电路的测试 思考题4 4 1电阻 电感和电容的测量 4 1 1阻抗的概念如图4 1所示 一个二端元件或一个无源网络的一对输入端施加一激励电压信号 直流或交流 将产生一个电流 这时我们将电压与电流之比称为阻抗 图4 1阻抗的示意图 图4 2所示的是三种基本元件电阻 电感 电容的理想模型 实际的元件是复杂的 每一种元器件在高频工作时都会在不同程度上显示所有三种特性 如图4 3所示即为电阻 电感 电容的实际等效电路 图4 2理想的电阻 电感 电容 图4 3电阻 电感 电容的实际等效电路 为了讨论问题方便 通常将阻抗元件等效为一个理想电阻与一个理想电感或理想电容相串联的形式 如图4 4所示 图4 4感抗与容抗元件的等效 a 电阻与电感串联 b 电阻与电容串联 同时定义 4 1 Q用于表征元件存储与消耗能量之比 常称为品质因数 对于电感有对于电容有 4 1 2电阻的特性与测量 1 电阻的参数和种类 如图4 5 a 所示电阻为碳膜电阻 阻值为100 精度为1 图4 5 b 所示为电阻额定功率的直接标示法 图4 5电阻的标注 各种颜色代表的量值如表4 1所示 表4 1色码电阻色环对应数值 2 电阻的测量图4 6示出了两种利用电流表和电压表测量电阻的方法 图4 6电阻测量的基本电路 当对电阻的测量精度要求很高时 可用直流电桥进行测量 一种叫惠斯登电桥的测量方法原理如图4 7所示 图中R1 R2是固定电阻 R1 R2 K RN为标准电阻 Rx为被测电阻 G为检流计 图4 7惠斯登电桥测电阻 测量时 通过调节RN 使电桥平衡 即检流计指示为零 此时有也即 R2RN R1Rx 所以有 4 1 3电感的特性与测量1 电感的种类与参数电感的主要参数有三个 即电感量 品质因数和分布电容 1 电感量 2 品质因数 电感的等效电路如图4 3所示 电感损耗电阻为R 在一定频率的交流电压下工作时 电感所呈现的感抗与损耗电阻R之比 称为电感的品质因数 即 3 分布电容 2 电感的测量1 利用通用仪器测量 其方法是在交流电压工作条件下 利用电压表和电流表测出加于电感两端的电压U和流过电感的电流I 则有 L U I 如图4 8所示 图4 8用通用仪器测电感示意图 由复数的欧姆定律可知所以 2 交流电桥法测量 在低频情况下 若电感的损耗不可忽略 可以用交流电桥进行测量 测量电路如图4 9所示 图4 9交流电桥法测电感 根据平衡方程有 式中 ZL Rx j Lx进一步推算可得 3 用谐振电路测量 测量电路如图4 10所示 图4 10谐振法测电感 测量时 首先调节信号源的频率 使电压表的读数为最大值 记下此时频率为f1 这时有由于式中C0还未可知 需进行第二次测量 此时不接入电容C 对应的谐振频率为f2 因此有 所以有4 用Q表测量 Q表可以用来准确测量电感线圈的Q值与电感量 其基本电路如图4 11所示 图4 11用Q表测电感 图中e t 是频率可变振荡信号源 CT是调谐电容 容量为C 当电感线圈接入测量电路后 调节信号源的频率在电感线圈的工作频率附近 改变CT 使UC为最大 此时电路处于谐振状态 0L 1 0C 有同时UC Qe e为e t 的有效值 则 因而5 用电子仪表测量 常用的LCR测试仪器测量电感则采用了电感 电压转换法 如图4 12所示 图4 12电感 电压转换法测量电感 图中Us R1为固定量 运算放大器输出为Uo 在复数领域后续虚部 实部分离电路可以从Uo中分离出实部Ur和虚部Ux 则 4 1 4电容的特性与测量 1 电容的参数 种类与标识方法1 电容的参数电容的主要参数为电容量和额定工作电压 电容量表示在单位电压上电容器上能存储多少电荷 2 电容的种类 电容器的种类很多 根据制作材料来分 有铝质电容 钽电容 云电容 独石电容 涤纶电容 瓷片电容等等 根据工作电压来分 有低压电容和高压电容 根据工作频率来分 有低频电容和高频电容 还有固定电容 可变电容 穿心电容等等 可根据工作条件与要求加以选用 3 标注方法和电阻的标注方法相类似 电容的标注方法有直标法和色标法 2 电容的测量1 用谐振法测量 测量电路如图4 13所示 图中Us为激励信号源 L为标准电感 Cs为确定的电感分布电容 R为信号源内阻 Cx为被测电容 图4 13谐振法测电容 测量时可反复调节信号源频率 使电压表读数最大 这时信号源的频率为f0 由电路谐振条件可知 即所以 2 用Q表测量Q表常用于对在高频下工作的电容器进行测量 这时被测电容器可等效为一个理想电容与一个较大的电阻相并联的模型 实际测量电路如图4 14所示 图4 14用Q表测电容 接着将被测电容Cx跨接于 外接电容 上 重新调整调谐电容 使电路达到谐振 将新的调谐电容的值记为C2 新的Q值为Q2 这时有3 用转化法测量 举例来说 多谐振荡器的频率与振荡电容有着确定的关系 如果以被测电容作为振荡电容 则可以构成一个电容 频率转换电路 如图4 15所示 图4 15电容 频率转换电路 原理类似于图4 12所示的电感测量电路 如图4 16所示 图4 16电容 电压转换电路 图中Cx与Rx为被测电容 R1为已知标准电阻 U t 为测量用正弦信号源 其有效值为Us 运算放大器的输出与输入之间用复数表示的电压传递函数为输出电压的实数部分与虚数部分可以被分离并计算出来 分别用Ur与UI表示 则有 所以有 4 2半导体二极管 三极管与场效应管的测量 4 2 1半导体二极管的测量 1 二极管的特性 种类与参数决定二极管的作用的主要参数有以下几个 1 最大整流电流IfM 2 最大反向工作电压URM 3 反向电流IR 4 导通电阻 5 极间电容 2 二极管的测量 1 用模拟式万用表进行测量 通常万用表的红表笔置于面板上 号端口 黑表笔置于 号端口 万用表在欧姆挡工作 由表内电池提供电源 号端对应电池正端 号端对应电池负端 内部电池这样设计 是为了保证在电阻测量时流入万用表的电流与在电压或电流测量时相同 用模拟式万用表测量二极管的等效电路如图4 17 所示 图4 17用VC9801A万用表测量二极管等效电路 2 用数字万用表来测量可以设计一些适应性电路与通用仪表相结合 来解决二极管测量的大多数问题 如图4 18所示 3 用通用仪表与适配电路测量对于二极管的一些重要属性 万用表是测不出来的 而专用测试仪表通常又很贵 因此可以设计一些适应性电路与通用仪表相结合 来解决二极管测量的大多数问题 如图4 18所示 4 用晶体管图示仪测量 晶体管特性图示仪不仅可以测量二极管的大多数参数 而且能够以图形的形式展示二极管的正向伏安特性曲线 图4 18用通用仪表测二极管 a 稳压管测试电路 b 发光二极管测试电路 c 变容二极管测试电路 d 示波器观测开关二极管 4 2 2晶体三极管的测量1 三极管的特征 类型与参数在满足一定的条件时 对小信号输入电流进行线性放大 或者控制大信号 开关信号 的传递 是三极管的基本特征 三极管有多种类型 从制作材料来分 有锗三极管和硅三极管 从PN结构来分 有PNP型管和NPN型管 从消耗功率来分 有小功率 中功率和大功率三极管 从工作频率来分 有低频三极管 高频三极管和超高频三极管 从工作电压来分 有低反压三极管和高反压三极管 从工作特性来分 有普通三极管与开关三极管等等 2 三极管的测量三极管的集电极与发射极的区分方法在确定三极管的基极与类型以后 比如NPN型三极管 可按图4 19来判定三极管的集电极与发射极 图4 19用万用表判定三极管c e极 1 用万用表测量数字万用表一般都有三极管测量挡 如VC9801A型万用表 在已知基极与管子的类型后 根据三极管正确连接时直流放大倍数 较大的特点 可以区分出发射极和集电极 2 用晶体管图示仪测量晶体管特性图示仪内部结构一般有电子管式 晶体管式和集成电路式三种类型 由基极阶梯信号发生器 集电极扫描电压发生器 测试转换与控制电路 显示处理电路和显示器组成 如图4 20所示 图4 20晶体管特性图示仪基本组成原理 图4 21所示是晶体管图示仪显示的小功率三极管9013的c e极输出特性曲线 图4 219013的c e极输出特性曲线 4 2 3场效应管的测量1 用晶体管特性图示仪来测量其测量方法大致类同于晶体三极管的测量 用JT 1图示仪测量场效应管3DJ7的过程如下 查手册知 这是一种N沟道结型场效应管 其管脚排列为S D G 分别对应于晶体三极管的引脚e c b 相当于一个NPN小功率三极管 2 用通用仪表与适配电路测量图4 22 a 中的电流表直接指出被测管的IDSS 图4 22 b 是测量场效应管的夹断电压的简易电路 当UGG为零时 同图4 22 a 一致 图4 22用电流表和适配电路测量场效应管 4 3集成电路的测试 4 3 1中小规模集成电路的一般测试 1 模拟集成电路的测试1 线性芯片测试 掌握了对运算放大器的特性的测量原理与方法 也即掌握了对一般线性集成电路的测试方法 理想的运算放大器如图4 23所示 具有如下特性 输入阻抗Rin 输出阻抗Ro 0 电压增益Av 带宽为 当Uin Uin 0时 Uo 0 图4 23基本的运算放大器电路 1 运算放大器开环输入阻抗的测量 运算放大器的输入阻抗由两输入端之间和每个输入端与地之间的阻抗组成 如图4 24所示 图4 24测量运算放大器开环输入阻抗 Rin称为差分输入阻抗 Rc称为共模输入阻抗 当作为反相放大器使用时 同相输入端接地 RcRin 可以近似认为差分输入阻抗即为其输入阻抗 测量运算放大器开环输入阻抗的电路如图4 25所示 图4 25运算放大器基本测试电路 2 运算放大器开环增益Av的测量 Av的测量方法仍采用如图4 24所示测量运算放大器的输入阻抗的方法 因为Av Uo Ui 且所以 3 运算放大器转换速率 Sr 的测量 运算放大器能够将正弦信号转化为矩形波 这种大信号工作特性一般用Sr来表征 可以用示波器来测量 具体测量电路如图4 26所示 图4 26运算放大器转换速率的测量 a 测量运算放大器转换速率电路 b 图 a 所示电路的输入和输出电压 2 一般模拟集成芯片的测试 1 性能指标测量 图4 27是单片集成锁相环CD4046的测试电路 图4 27CD4046性能测试电路 2 集成芯片的在线测试 在调试和维修工作中 常常对已焊接在电子线路板上的集成芯片是否正常产生疑问 这时采用在线测试的方法 可以解决大多数问题 在线测试一般有以下几种方法 电阻测量法 电压测量法 信号注入法 在图4 28所示的电路中 正常时多引脚对地电压如表4 2所示 2 数字集成电路的测试数字集成电路处理的都是以0 1为特征的数字电压 数字集成电路的电特性主要是数字电路的电特性 最主要的有输入电平 输出电平 输入电流 输出电流 转换时间 延迟时间 功率消耗等等 图4 28 PC1353应用电路 表4 2 PC1353各引脚对地电压测量值 4 3 2集成电路测试仪集成电路测试仪 或测试系统 是用于集成电路设计 验证 生产测试的专用仪器 系统 按测试门类可分为数字集成电路测试仪 存储器测试仪 模拟与混合信号电路测试仪 在线测试系统和验证系统等 由于这些测试仪的测试对象 测试方法以及测试内容都存在差异 因此各系统的结构 配置和技术性能差别较大 4 3 3大规模数字集成电路的JTAG测试目前 中大规模集成电路的应用已十分普遍 由于专用的集成电路测试仪价格昂贵 利用它来解决这些集成电路在产品研发 生产 维修中的测试问题 对于广大普通用户来说是不现实的 IEEE1149 1标准支持以下3种测试功能 1 内部测试 IC内部的逻辑测试 2 外部测试 IC间相互连接的测试 3 取样测试 IC正常运行时的数据取样测试 BSC起着把输入输出信号与内部逻辑隔离或连通的作用 所有的BSC在IC内部构成JTAG串联回路 如图4 29所示 图4 29可扫描设计 增加了BSC和相应的控制部分后 一个器件的管脚也要相应增加四个或五个 即如下JTAG引脚 如图4 30所示 TCK 测试时钟输入 TDI 测试数据输入 数据通过TDI输入JTAG接口 TDO 测试数据输出 数据通过TDO从JTAG接口输出 TMS 测试模式选择 TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式 TRST 测试复位 输入引脚 低电平有效 为可选引脚 并非每个JTAG接口都需要 图4 30具有JTAG接口的IC内部BSR单元与引脚关系 图4 31是一个板级的互连测试示意图 从图中我们可以看出 各器件的BSC单元串联组成了一个可扫描的网 Net 这个Net的互连性都能被正确检测出来 图4 31板级JTAG芯片互连测试 思考题4 1 当在一个1 F电容器上加500V直流电压时 产生了0 8 A电流 电容器的漏电阻是多少 2 一个电感器的等效电路为一个40 电阻与一个0 05H电感串联 当线圈在1kHz频率下工作时 其Q值是多少 3 一个电阻元件 其直流阻抗与交流阻抗哪个高 4 一线圈的复数阻抗为 4 j6 问 1 线圈的品质因数是多少 2 如果阻抗是在频率为5kHz时测定的 那么元件的电感是多少 5 一个串联谐振电路由电阻 电容和电感组成 证明线路谐振时电感两端的电压的振幅是电源电压振幅的Q倍 6 在一个二极管两端施加700V反向电压 产生3 5 A电流 二极管的反向电阻是多少 7 图4 32中 D1是一个5V稳压管 R1为1k 问 1 二极管 D1上的电压是多少 2 当电源E改为 10V 二极管 D1上的电压是多少 二极管中的电流是多少 图4 32题7图 8 用模拟万用表的欧姆挡检测三极管 测定结果如下 1 RB E 低 RE B 低 RB C 低 RC B 高 RC E 高 RE C 高 晶体管能正常工作吗 为什么 2 RB E 高 RE B 低 RB C 低 RC B 高 RC E 高 RE C 低 晶体管能正常工作吗 为什么 9 对晶体管放大器进行下列测量 Ib 100 A Ie 5mA 晶体管输出电压在负载时为4V 然后在晶体管的两端跨接一个2k 电阻时 输出电阻下降到1V 1 晶体管的直流放大倍数 是多少 2 测定晶体管放大器的输出电阻 10 利用晶体管图示仪对N沟道结型场效应管放大器进行下列测量 UGS 5V ID 0 UGS 0 ID 7mA 当UGS从 4V变化到 3V时 漏极电流增加10mA 测定下列参数 1 夹断电压UP 2 饱和漏极电流IDSS 3 结型场效应管的跨导 11 运算放大器如图4 33所示 R1 R2 100 Rf 100k 运算放大器的开环增益Av 1000 1 假设运算放大器是理想的 计算电压增益Av 2 求出实际增益 图4 33题11图 12 什么是JTAG测试