电子元器件与集成电路测量(电子测量技术课件).ppt

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1、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、

2、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

3、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

4、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+jLx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

5、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

6、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

7、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

8、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)

9、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。

10、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

11、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

12、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4.21 9013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

13、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

14、=；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

15、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4.27 CD4046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

16、：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

17、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B

18、SC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

19、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500 V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0.05 H电感串联，当线圈在1 kHz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5 kHz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700 V反向电压，产生3.5

20、A电流，二极管的反向电阻是多少？,7.图4.32中D1是一个5 V稳压管，R1为1 k，问：(1)二极管D1上的电压是多少？(2)当电源E改为-10 V，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=5 mA，晶体管输出电压在负载时

21、为4 V，然后在晶体管的两端跨接一个2 k电阻时，输出电阻下降到1 V。(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=-5 V，ID=0；UGS=0，ID=7 mA；当UGS从-4 V变化到-3V时，漏极电流增加10 mA。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=100 k，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？,