晶体管参数测试仪的设计

张明英

（西安外事学院 陕西 西安 710077）

晶体管测试仪应用广泛，功能因测量参数不同而不同，有的可以测量晶体管的放大系数、反向击穿电压、反向饱和电流、晶体管的输入输出特性曲线、延迟时间、晶体管开启时间、存贮时间等多种参数，有的只是测试晶体管的好坏，也有的数字万用表可以测晶体管的直流放大系数。当然这样的仪器要么功能强大，价格昂贵，要么功能太过于简单，测量参数单一。因此设计一台适用的测试仪具有重要的意义。

本课题研究晶体管的特性曲线，β值，漏电流及反向击穿电压等重要参数的测量。利用Matlab结合MCU和测量电路，在PC机上显示出晶体管的β值及漏电流，通过逐点法显示特性曲线。使用当前应用广泛的TL494芯片搭建升压电路，测试晶体管的反向击穿电压。

1 系统方案设计

整个晶体管参数测试系统主要由两部分电路组成：输出特性曲线测试电路和反向击穿电压测试电路。系统结构框图如图1所示。

1.1 输出特性曲线测试电路

如图1所示，本设计方案是以LM3S1138作为控制核心，这样可以实现高速的数据采样。通过MCU和D/A转换器以及放大器实现程控电流源和电压源。以两个通道输出至基极和集电极，作偏置电压Vb、Vc，将发射极接地，通过调整Vb和Vc就能进行任意工作状态时的参数测量。分别在基极和集电极上串联一个采样电阻，通过对取样电阻两端的电压进行采样，得到电压数据，通过对各管脚电压的分析，判断出E、B、C对应的管脚，并实现测量电路自动切换。再通过控制程控电压源的输出电压，同时对采样电阻上的电压进行采样，计算放大倍数、绘制特性曲线。

图1 系统框图Fig．1 System block diagram

1.2 反向击穿电压测试电路

如图1所示，利用TL494芯片搭建开关电源，对电源电压进行升压和稳压。通过多圈电位计可以调节开关电源的输出电压，当缓慢增加反向电压时，系统自动判断是否击穿。在晶体管反向击穿电压测试电路中接入限流电阻和采样电阻，过流保护电路对采样信号进行监测，并对被测器件和测量电路进行保护。

2 电路设计

2.1 恒流源电路设计

根据三极管 Ic=βIb， 当 Ib为固定值时，Ic才能反映 β的变化，通常恒流源电路如图2所示，但在实际应用中存在浮地的问题会影响到系统的稳定性，而且为了便于同时测量P管和N管，此恒流源的单向电流也满足不了要求。所以采用图3中的双向电流恒流源来提供精密微电流。经过测试，它的输出能力比反馈电阻式运放搭建的恒流源线形、稳定性要好。集成运算放大器的选择对电路的影响是很大的，如选择TL084，其稳定性不是很好且精度不很高，在高倍数放大过程中可能产生一系列的问题。本系统对测量调理电路和恒流源的输出电流稳定性都有较高要求，应该选择低温漂，低失调电压，低失调电流的精密运算放大器，如 OP07。

图2 单向恒流源（I L=V ref/R3）Fig．2 Single direction constant-current source

图 3 双向恒流源（I L=（V ref-Vm）/R3）Fig．3 Double direction constant-current source

2.2 输出特性曲线测试电路

输出特性曲线反映的是以基极电流Ib为参变量的曲线，集电极电流Ic和管压降uCE之间的关系，其表达式为：

iC=f（uCE）|Ib=常数

集电极扫描电压利用MCU控制DAC0832输出。如图4所示，当管压降uCE超过1 V后，集电极电流Ic的大小与基极电流Ib成正比，即Ic=βIb。如果用MUC控制恒流源等间隔的改变Ib的大小继续测试，可以得到一组间隔基本均匀，彼此平行的直线。

图4 输出特性曲线测试电路Fig．4 Test circuit of output characteristic curve

2.3 测反向击穿电压

采用TL494构建的开关电源电路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。利用TL494开关电源芯片结合高频变压器可得到满足设计要求的击穿电压。如图5所示，为了保护晶体管不因反向电流过大而损坏，使晶体管的PN结处于软击穿状态。通常加入限流电阻，将保护电流设置在几毫安到几十毫安。

图5 反向特性测试电路Fig．5 Reverse property test circuit

2.4 保护电路设计

系统的保护电路是至关重要的，不仅保护系统本身的测量系统不被损坏，又要保护被测器件的安全。这里用数字逻辑器件设计反应迅速的过流保护电路，设置复位功能。当电路出现故障或者晶体管被击穿后，保护电路会自动切断测试电源。按复位键后故障排除可以回到正常情况，否则将继续保持保护状态。保护电路如图6所示。

图6 保护电路Fig．6 Protection circuit

3 测 试

上位机有着丰富的系统资源，可以对采集来的数据进行汇总分析。用PC机对数据进行分析，具有工作稳定，界面友好，操作直观，数据精确，软件易于更新扩展等优点。硬件是系统的躯体，软件是系统的灵魂，在硬件稳定可靠的前提下，加上好的软件对硬件支持，就会有优秀的系统性能。

图7 软件界面Fig．7 Software interface

如图7所示，操作界面主要由三极管测试、二极管测试和曲线显示选项几大部分组成。在进行3极管测试前，需将3个管脚插入设备。系统会自动鉴别管子的管脚和管型，上位机会根据管型给硬件设备发送相对应的测试信号，硬件设备会自动转换成需要的测试电路。测试二极管参数时需要正确插入对应的管脚，以保证系统正确测量。

4 结束语

系统涉及到微弱信号，对元器件选择有较高的要求，晶体管特性曲线是经过微安级电流放大得来的，所以特别是恒流源电阻要选高精密电阻。系统PCB板布线时也要注意各模块的相互干扰问题，测量漏电流等微小参数时最好将系统放在屏蔽盒中，避免外界的电磁干扰。晶体管半导体易受温度的影响，为得到更准确的测试数据，在测试前应将系统开机预热几分钟。通过对多种晶体管进行测量，测量参数都在数据手册给的参数范围之内。

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