Устройство для измерения параметров рассеяния транзисторов Советский патент 1984 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и массового контроля парги«1етров линейных динамических и вольт-амперных характеристик транзисторов.

Известно устройство для измерения и контроля параметров транзисторов с автоматической установкой рабочей точки по напряжению и току коллектора при смене образцов, имеющих разброс параметров вольт-амперных характеристик, содержащее мост, образуемы цейью коллектор-эмиттер измеряемого транзистора, резистором в цепи коллектора и делителем в цепи источника питания коллектора; регулирующий усилитель и регулирующее звено в цепи отрицательной обратной связи, кольцо которой замыкается цепью база эмиттер измеряемого транзистора

Недостатком указанного устройства .является принципиальная сложность осуществления раздельной регулировки параметров рабочей точки транзисторов, тока и напряжения коллектора; существенная зависимость параметров рабочей точки от стабильности источников электропитания цепи коллектора и устройств схемы стабилизации рабочей точки, так как в данном случае использован параметрический способ стабилизации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения параметров рассеяния транзисторов, включающее генератор синусоидального напряжения, выход которого соединен с опорным входом векторного вольтметра и первыми входами первого и второго переключателей, вторые входы которых соединены с общей шиной, а управляющие входы первого и второго переключателей соединены соответственно с первым и вторым выходами программатора, третий выход которого соединен с управляющим входом третьего переключателя, выход которого соединен с измерительным входом векторного вольтметра, выход первого переключателя через последовательно соединенные первый конденсатор, первый резистор/ второй резистор и второй конденсатор подключен к общей шине, выход второго переключателя через последовательно соединенные третий конденсатор, третий и четвертый резисторы и четвертый конденсатор подключен к общей шине, точка соединения первого и второго резисторов соединена с первым входом третьего переключателя, второй вход которого соединен с точкой соединения третьего и четвертого резисторов, параллельно четвертому конденсатору подключен генератор постоянного тока, эмиттерная шина держателя транзистора соединена

с общей шиной, вход питания программатора соединен с первым выходом блока питания С2 3 .

Данное устройство не обеспечивает высокой скорости измерительного, процесса/.

Цель изобретения - повышение производительности измерения параметров .

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения параметров рассеяния транзисторов, включающее генератор синусоидального напряжения, выход которого соединен с опорным входом векторного вольтметра и первыкш входами первого и второго переключателей, вторые входы которых соединены с общей шиной, а управляющие входу первого и второго переключателей соединены соответственно в первым и вторым выходами программатора, третий выход которого соединен с управляющим входом .третьего переключателя, выход которого соединен с измерительным входом векторного вольтметра, выход первого переключателя через последовательно соединенные Первый конденсатор, первый резистор, второй резистор и второй конденсатор подключен к общей шине, выход второго переключателя через последовательно соединенные третий конденсатор, третий и четвертый резисторы и четвертый конденсатор подключен к общей шине, точка соединения перво- го и второго резисторов соединена с первым входом третьего переключателя второй вход которого соединен с точкой соединения третьего и четвертого резисторов, параллельно четвертому конденсатору подключен генератор постоянного тока, эмиттерная шина держателя транзистора соединена с общей шиной, вход питания программатора соединен с перовым выходом блока питания,снабжено программируемьлм генератором опорного напряжения, усилителем постоянного тока и высокоомным делителем напряжения в виде последовательно соединенных пятого и шестого резисторов, при этом генератор постоянного тока выполнен программируамым, выход программируемого генератора опорного напряжения через последовательно включенный пятый резистор подключен к входу усилителя постоянного тока, выход которого подключен параллельно второму конденсатору, второй выход блока питания соединен с входом питания усилителя постоянного тока, базовая шина держа теля транзистора соединена с первым входом третьего переключателя, а коллекторная шина держателя транзистора соединена с вторым входом третьго переключателя и вторым выводом шестого резистора. На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения параметров рассеяния транзистора; на фиг.2 - вариант принципиальной схемы устройства для измерения биполяр/йых транзисторов n-p-fi -структуры. Устройство содержит генератор 1 синусоидального напряжения/ выход которого соединен с опорным входом векторного вольтметра 2 и первыми входами первого 3 и второго 4 переключателей, вторые входы которых сое динены с общей шиной, а управляющие входы первого 3 и второго 4 переключателей - соответственно с первым и вторым выходами программатора 5, тре тий выход которого соединен с управляющим входом третьего переключателя 6, выход которого соединен с измерительным входом векторного вольтметра 2, выход первого переключателя 3 через последовательно соединенные первый конденсатор 7, первый резистор 8, второй-резистор 9 и второй конденсатор 10 подключен к общей шине, выход второго переключателя 4 через последовательно соединенные третий конденсатор 11, третий 12 и четвертый 13 резисторы и четвертый конденсатор 14 подключен к общей шине, точка соединения первого 8 и второго 9 резисторов соединена с пер вым входом третьего переключателя 6, второй вход которого соединен с точкой соединения третьего 12 и четвертого 13 резисторов, параллельно четвертому конденсатору 14 подключен генератор 15 постоянного тока, эмиттерная шина держателя транзистора 16 соединена с общей шиной, вход питания программатора 5 соединен с первым выходом блока ,17 питания, программируемый генератор 18 опорного напряжения, усилитель 19 постоянного тока и высокоомный делитель напряжения в виде последовательно соединенных пятого 20 и шестого 21 резисторов, при этом генератор 15 постоянного тока выполнен программируемым, выход программируемого-генератора 18 опорного напряжения че рез последовательно включенный пятый резистор 20 подключен к входу усилителя 19 постоянного тока, выход которого подключен параллельно второму конденсатору 10, второй выход блока питания соединен с входом питания усилителя 19 постоянного токд, базовая шина держателя транзистора 16 соединена с первым входом третьего переключателя 6, а коллекторная шина держателя транзистора 16 - с вторым входом третьего переключателя и вторым выводом шестого резистора. Вариант принципиальной схемы устройства (фиг. 2) представляет собой ..практическую реализацию структурной 10 9 схемы (фиг. iJ и содержит клеммы для подключения блока 17 с напряжением 12,6В, конденсаторы- It) и 14 для фильтрации переменных составляющих тока базы и коллектора; две пары резисторов 8, 9 и 12, 13 для питания цепей базы и коллектора измеряемого транзистора по переменному и постоянному току и осуществления тестов по измерению динамических параметров; конденсаторы 7 и 11 для разделения постоянной и переменной составляющих тока коллектора и базы; держатель 16 с транзистором, переключатель 3 с контактами 22-24 и обмоткой 25 управления, переключатель б с контактами 26-28 и обмоткой 29 управления, переключатель 4 с контактами 30-32 и обмоткой 33 управления, программатор 5, собранный на основе переключателя 34 с контактами 35-38 и переключателя 39 с контактами 40-43, усилитель 19 в составе входного каскада на полевом транзисторе 44 с нагрузкой 45 в цепи истока и конденсатором 46, включенным параллельно его входу, усилительного каскада на микросхеме 47 типа операционный усилитель и элементах, обеспечивающих режим микросхемы 47, а именно резисторах 48 - 50, конденсаторах 51 и 52 и диодах(стабилитронах} 53 и 54, и составного эмиттерного повторителя на транзисторах 55 и 56, и резисторах 57 и 58; высокоомный делитель напряжения на резисторах 20 и 21 в цепи сравнения схемы стабилизации коллекторного напряжения; высокочастотные гнезда 59 для подключения опорного и 60 для измерительного канала векторного вольтметра (фиг. 1 }; клеммы 61 для подключения выхода программирующего генератора 15 постоянного тока, амперметр 62 для контроля постоянной составляющей тока базы; вольтметр 63 и переключатель 64 входа вольтметра для контроля постоянных напряжений, пропорциональных постоянным составляющим напряжения коллектора или базы. Клеммы 65 для подключения программируемого генератора 18 опорного напряжения. Устройство работает следующим образом. Благодаря фильтрации переменных составляющих тока конденсаторами 10 и 14 сигналы переменного тока, которые вырабатываются в измерительных цепях устройства при осуществлении измерения параметров рассеяния транзистора, на работу цепей электропитания транзистора по постоянному току .не влияют. Поэтому режим работы цепей постоянного и переменного тока данного устройства можно рассматри-вать раздельно.

Электропитание цепи коллектора транзистора осуществляется от генератора 15 постоянного тока через резистор 21. Ток коллектора Эц благодаря высокому входному сопротивленик) делителя на резисторах 21 и 20, а также разделительному конденсатору 11 практически равен току на выходе генератора 15. Таким образом, генератор 15 задает требуемый уровень тока коллектора транзистора и включении на коллекторе транзистора будет выделяться напряже .кие UK- ;. . .

Напряжение tJ поступает на вход делителя на резисторах 21 и 20, подключенного к коллектору транзистора, благодаря.чему на выходе этого делителя, подключенному к входу неинвёртирующего усилителя 19 постоянного тока, выделяется постоянное напряжение I где kg - коэффициент передачи делителя. К другому входу делителя на резисторах 21 и 20 подключен генератор 18. Опорное напряжение UQ с выхода генератора 18 через резистор 20 поступает также на вход усилителя 19, и при отрицательном значении этого напряжения создает на входе усилителя составляющую напряжения, равную - UQ . Суммарное напряжение на входе усилителя 19 будет равно . Это выражение справедливо при условиях отсутствия влияния входного сопротивления усилителя 19 и коллекторной цепи транзистора на режим работы делителя на резисторах 20 и 21, которые выполняются при использовании в качестве входного каскада усилителя 19 каскада на полевом транзисторе (фиг. 2) и при высоком дифференциальном сопро тивлении постоянному тбку перехода коллектор эмиттер транзистора и генератора 15 .

- Сигнал DC усиливается усилителем 19 и далее с выхода этого усилителя через резистор 9 поступает на базу транзистора и дополнительно.усиливается транзистором, который в данном случае можно рассматривать как активный элемент усилительного каскада с общим эмиттером. Благодаря этому существует еще одна функциональная связь между напряжением U и и, с именно U(. kU , где k-суммарный коэффициент усиления схемы, образуемой усилителем 19 и каскадом на транзисторе. Знак минус в этом выра.жении отражает инвертирующий эффект каскада усиления на транзисторе.

Анализ цепи коллектор транзистора - резистор 21 - вход усилителя 19 - выход усилителя 19 - резистор 9 - база транзистора - переход база-коллектор транзистора показывает что эту цепь можно рассматривать как

замкнутую .цепь отрицательной обратной связи с усилительным звеном на основе транзистора 16 и усилителя 19, Благодаря, действию отрицательной обратной связи режим транзистора по постоянному току стремится к равновесному состоянию, причем уравнение, отражающее это состояние, вытекающее из ранее приведенных уравнений сигналов .в цепи обратной связи, имеет вид -- :tCpU -Up. Решение этого уравнения относительно напряжения 0 coil

I.

и.При

ответствует выражению, к

5 условии k 1, которое отнбсительно просто выполнить, используя усилитель 19 с высоким коэффициентом усиле кия, получают. .Таким образом, напряжение коллектора Оц оказывается прямо пропорциональным только значению опорного напряжения U, путем регулирования которого можно I регулировать значение напряхсения . Кц независимо от других факторов, например от значения тока коллектора Ь , который вырабатывается также независимо генератором 15 тока.

в частном случае при условии k 1, которое достигается при соответствующем подборе плеч делителя на резисторах 20 и 21, напряжение U примерно равно напряжению Up. Практически достаточно, чтобы коэффициент k составлял десятые доли единицы,так как в противном случае нужно использовать большие значения номиналов резисторов 20 и 21 ,что неудобно с точки зрения согласования делителя с входом усилителя 19 и коллектором транзистора . .

При осуществлении тестов по переменному току в процессе измерения коэффициента матрицы рассеяния транзистора устройство работает аналогично устройству-прототипу следующим образом.

В нормальном положении управляв- мые переключатели 3 и 4 через конденсаторы 7 и 11 замыкают на корпус резисторы 8 и 12, причем по переменному ТОКУ каждая из пар резисторов 8, 9 и 12, 13 оказывается включенной параллельно и служит нагрузкой цепи базы или коллектора,а переключатель б подключает измерительный вход векторного вольтметра 2 к цепи базы.

Посредстве программатора 5 осуществляют необходимые комбинации включения упр§вляемых переключателей 3, 4 и 6 путей подачи на их обмотки управления напряжения от блока 17. Номиналы резисторов 8, 9 и 13,. 14 должны быть выбраны попарно равными.

В процессе выполнения динамических тестов сначала осуществляют две операции при отключенном от схемы устройства транзисторе.

При срабатывании переключателя 3 5 сигнал от генератора 15 через конден сатор 7, резистор 8 и контакты уп равляемого переключателя 6 поступает на вход измерительного канала векторного вольтметра 2, причем ре гистрируется напряжение 0, которое пропорционально удвоенному значению падающей волны, поступающей в цепь базы. При срабатывании переключателей б и 4 сигнал от генератора 15 через конденсатор 11, резистор 12 и контак ты переключателя б поступает на измерительный канал векторного вольт-метра 2. Измеряемое напряжение 2 про порционально удвоенному значению падающей волны, поступающей в цепь коллектора. После этого в измеритель ную цепь устройства включают измеряемый транзистор и, согласно кодам управления программируемых генерато РОВ 15 тока и 18 опорного напряжения, его рабочая точка автоматически устанавливается в режим, соответ ствующий заданным значениям тока Э, и напряжения Un . После этого осуществляются следующие четыре динамических теста по определению комплексных напряжений на коллекторе и базе изме ряемого транзистора. При срабатывании переключателя 3 сигнал от генератора 15 через конден сатрр 7 и резистор 8 поступает на ба ЗУ.измеряемого транзистора. Измерительный канал векторного вольтметра 2через нормально замкнутые контакты переключателя 6 подключен к базе транзистора. При этом измеряют напря . 0, пропорциональное сумме падакадёй и отраженной волн в цепи базы. При срабатывании переключателей 3и 6 сигнал от генератора 1 также поступает в цепь базы, но измеритель ный канал векторного вольтметра 2 через контакты переключателя б подключен к коллектору транзистора. Из меряют напряжение , пропорционашьное значению отраженной волны в цепи коллектора. При отключении переключателя 3 и включении переключателей 6 и 4 транзистор включается по, переменному току в обратном направлении, так как сигнал от генератора 1 поступает на коллектор через конденсатор 11 и резистор 12. При этом измерительный канал векторного вольтметра через контакты переключателя б подключен к коллектору. Измеряют напряжение О пропорционсшьное значению суммы падающей и отраженной волн в цепи коллектора. При сохранении предыдущего условия коммутации для переключателей 3 и 4 и .отключении переключателя б измерительный канал векторного вольтметра -2 через контакты переключателя б подключается к базе транзистора, при этом измеряют напряжение D-12 , пропорциональное значению отраженной волны в цепи базы транзистора. Для выполнения условий, необходимых для нормсшьной работы векторного вольтметра при выполнении динамических тестов, вход опорного канала векторного вольтметра 2 подключен : к выходу генератора 1. Полученной информации достаточно, чтобы вычислить значения комплексных коэффициентов матрицы рассеяния изме-ряемого Т15анзистора в рабочейточке, определяемой током и напряжением 0,, которые задаются про граммируемыми генераторами 15 и 18, причем при достаточно- высоком коэффициенте усиления К цепи обратной связи, которое определяется коэффициен ами усиления усилителя 19 и участка цепи обратной связи на транзисторе, режим транзистора по постоянному току сохраняется при смене образцов измеряемых- транзисторов одHoro и того же или разных типов, отличающихся разбросом вольт-амперных характеристик, так как режим по постоянному току зависит только от режима,заданного генераторами 15 и 18. Устройство также можно спользовать для измерения полевых транзисторов с п-или р-каналами или с изолированным затвором и транзисторов р-п-р-структуры. Так, для измерения транзисторов р-п-р-структуры достаточно изменить полярность генератора 18 опорного напряжения и направление тока, вырабатываемого генератором 15, а также обеспечить активный режим работы усилителя 19 при отрицательных уровнях напряжения на его выходе. Нормированные коэффициенты матри-,, цы рассеяния рассчитывают с помощью измеренных комплексных напряженийпо формулам ,. 2U 1и..Ж 5.. i 1 . 0 Г-1 где R и номиналы резисторов 8 (или 9 )и 12 (или 13) соответственно. Принципиальная схема устройства (фиг. 2)отвечает случаю измерения биполярных транзисторов п-р-п-структуры. Использование программированных генераторов 15 и 18 позволяет автоматнзировать процесс измерения как динамических, так и статических параметров транзисторов. , , Внедрение предлагаемого устройства позволяет до 10 раз повысить скорость измерительного процесса за

счет сокращения времени, затрачиваемого на регулировку режима транзистора по постоянному току при смене образцов, которое составляет 100120 с при ручной регулировке и уменьшается в зависимости от типа измеряемого транзистора до 1-2 с при использовании предлагаемого устройства, при времени, затрачиваемом на выполнение динамических тестов, 10 с, что в конечном итоге повышает производительность устройства.

7Пг.

r

I 9t

64ffj

-f ±

IT

r

фиг. 2