CN105548936A - 晶体管特性图示仪校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种校准装置，尤其是一种晶体管特性图示仪校准装置，属于晶体管特性图示仪校准的技术领域。本发明包括用于对晶体管特性图示仪进行集电极电流扫描因数、功耗限制电阻校准的恒流电子负载电路以及用于对晶体管特性图示仪进行基极电压扫描因数校准的恒压电子负载电路，所述恒流电子负载电路、恒压电子负载电路均与校准选择控制电路连接，所述校准选择控制电路的输入端与校准选择电路连接，恒流电子负载电路、恒压电子负载电路能通过校准连接电路与待校准的晶体管特性图示仪连接；本发明结构紧凑，能实现对现有无校准插孔晶体管特性图示仪的有效校准，使用方便，适应范围广，安全可靠。

Description

晶体管特性图示仪校准装置
技术领域
本发明涉及一种校准装置，尤其是一种晶体管特性图示仪校准装置，属于晶体管特性图示仪校准的技术领域。
背景技术
目前，常用的国产晶体管特性图示仪受到国内计量法规的约束，其在设计和生产过程中就考虑到了校准需求，通常留有专门用于校准仪器连接的校准插孔。随着外资企业的进驻，技术新颖、性能优良的晶体管特性图示仪不断出现，例如：tektronix公司生产的370A、370B、371、572、576型晶体管特性图示仪；KDKUYO公司的SCT-5FR型晶体管特性图示仪等。外资生产的晶体管特性图示仪价格较高，没有结构图，没有原理线路图，也没有预留校准插孔，因此，无法用我国现在最权威的校准方法（中华人民共和国计量技术规范JJF1236-2010《半导体管特性图示仪校准规范》）进行校准。
现行校准规范在校准Y轴集电极电流扫描因数、功耗限制电阻和X轴基极电压扫描因数时，必须将外部校准电源引入晶体管特性图示仪的测试点或打开机壳将校准电源连接在特定的电路点上，以进行检测；但进行上述校准过程存在以下缺点：
1）、打开晶体管特性图示仪的机壳进行校准时会对人身安全构成威胁：tektronix公司的371型图示仪扫描电压能达到3000伏。打开晶体管特性图示仪，在没有电路图的情况下要找到集电极电压扫描端的集电极电流取样电阻、功耗电阻并不容易，并且不同型号的图示仪电路结构也并不一样。
2）、将标准直流电压源或电流源加于晶体管特性图示仪的集电极（或基极，或扫描箱）上，由于标准直流电压源、标准直流电流源与晶体管特性图示仪的电源特性，极可能导致晶体管特性图示仪或校准直流电压源、标准直流电流源的损坏；它们的电力可能击毁被连接的设备，或由于电源的外部连接短路、或有负电源而使电源本身损坏。
此外，晶体管特性图示仪内的集电极扫描电源是不能完全关断的，只能调到最小，有时最小电压竟也高达几十伏，另外有些型号的晶体管特性图示仪内的集电极扫描电源根本就不能手动调节。在有的晶体管特性图示仪中，功耗限制电阻是经过接触器进行间接连接的，所以在进行校准时，电源开关还不能关闭，这就对测量功耗电阻带来了风险，因为一旦集电极扫描电源有残余将会击毁数字式多用表的电阻档。
因此，用常用的方法无法完成这种晶体管特性图示仪的校准，亟需研究一种新的测量方法来对此类仪器进行校准。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种晶体管特性图示仪校准装置，其结构紧凑，能实现对现有无校准插孔晶体管特性图示仪的有效校准，使用方便，适应范围广，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述晶体管特性图示仪校准装置，包括用于对晶体管特性图示仪进行集电极电流扫描因数校准、功耗限制电阻校准的恒流电子负载电路以及用于对晶体管特性图示仪进行基极电压扫描因数校准的恒压电子负载电路，所述恒流电子负载电路、恒压电子负载电路均与校准选择控制电路连接，所述校准选择控制电路的输入端与校准选择电路连接，恒流电子负载电路、恒压电子负载电路能通过校准连接电路与待校准的晶体管特性图示仪连接；
所述校准选择电路能向校准选择控制电路输入对待校准晶体管特性图示仪的校准类型，校准选择控制电路能选择并启动与校准类型相匹配的恒流电子负载电路或恒压电子负载电路，以利用启动的恒流电子负载电路或恒压电子负载电路对晶体管特性图示仪进行所需的校准。
所述恒流电子负载电路、恒压电子负载电路与校准连接电路匹配形成的连接端包括校准电压连接端Uin、参考电压连接端UREF以及校准接地端；
所述恒流电子负载电路包括运算放大器U1、功率管M1以及可变电阻R5，所述运算放大器U1的同相端与参考电压连接端UREF连接，运算放大器U1的反相端与功率管M1的源极端连接，运算放大器U1的输出端与功率管M1的栅极端连接，所述功率管M1的漏极端与校准电压连接端Uin连接，功率管M1的源极端还通过可变电阻R5接地；
在利用恒流电子负载电路对待校准的晶体管特性图示仪校准时，所述校准电压连接端Uin与晶体管特性图示仪的集电极连接端连接，所述晶体管特性图示仪的发射极连接端与校准接地端连接。
所述恒压电子负载电路包括运算放大器U2以及功率管M2，所述运算放大器U2的反相端与滑动变阻器R4的可动端连接，滑动变阻器R4的一端与电阻R2的一端、电阻R3的一端、运算放大器U2的同相端以及负载电压连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端与功率管M2的漏极端连接，运算放大器U2的输出端与功率管M2的栅极端连接，功率管M2的漏极端还与校准电压连接端Uin连接，功率管M2的源极端接地。
所述恒流电子负载电路的恒流范围为0.1mA~20A，参考电压连接端UREF上加载的电压为0.1V~1V。
本发明的优点：利用恒流电子负载电路能实现对晶体管特性图示仪进行集电极电流扫描因数、功耗限制电阻进行有效校准，通过恒压电子负载电路能实现对晶体管特性图示仪进行基极电压扫描因数的校准，从而能实现对现有无校准插孔晶体管特性图示仪的有效校准，使用操作便捷，适应范围广，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明恒流电子负载电路与晶体管特性图示仪的电路原理图。
图3为本发明恒压电子负载电路与晶体管特性图示仪的电路原理图。
图4为本发明进行集电极电流扫描因数校准的原理图。
图5为本发明对基极电压扫描因数校准的原理图。
图6为本发明对功耗限制电路进行校准的原理图。
附图标记说明：1-校准装置、2-校准选择控制电路、3-校准选择电路、4-恒流电子负载电路、5-恒压电子负载电路、6-校准连接电路以及7-晶体管特性图示仪。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了能实现对现有无校准插孔晶体管特性图示仪7的有效校准，提高校准的便捷性以及适应范围，本发明包括用于对晶体管特性图示仪7进行集电极电流扫描因数校准、功耗限制电阻校准的恒流电子负载电路4以及用于对晶体管特性图示仪7进行基极电压扫描因数校准的恒压电子负载电路5，所述恒流电子负载电路4、恒压电子负载电路5均与校准选择控制电路2，所述校准选择控制电路2的输入端与校准选择电路3连接，恒流电子负载电路4、恒压电子负载电路5能通过校准连接电路6与待校准的晶体管特性图示仪7连接；
所述校准选择电路3能向校准选择控制电路2输入对待校准晶体管特性图示仪7的校准类型，校准选择控制电路2能选择并启动与校准类型相匹配的恒流电子负载电路4或恒压电子负载电路5，以利用启动的恒流电子负载电路4或恒压电子负载电路5对晶体管特性图示仪7进行所需的校准。
具体地，晶体管特性图示仪7上无校准插孔，晶体管特性图示仪7具有集电极连接端C、发射极连接端E以及基极连接端B。校准选择控制电路2、校准选择电路3、恒流电子负载电路4、恒压电子负载电路5以及校准连接电路6能够形成本发明的校准装置1。校准选择电路3可以采用键盘、触摸屏等形式，校准选择电路3向校准选择控制电路2输入的校准类型为集电极电流扫描因数校准、功耗限制电阻校准以及基极电压扫描因数校准。校准选择控制电路2可以采用现有常用的微处理芯片或逻辑电路等形式，当校准选择控制电路2确定校准类型为集电极电流扫描因数校准或功耗限制电阻校准时，校准选择控制电路2选择并启动恒流电子负载电路4；而当校准选择控制电路2确定校准类型为基极电压扫描因数校准时，则校准选择控制电路2选择并启动恒压电子负载电路5。恒流电子负载电路4、恒压电子负载电路5通过校准连接电路6与待校准的晶体管特性图示仪7进行连接。在对晶体管特性图示仪7进行集电极电流扫描因数校准或功耗限制电阻校准时，恒流电子负载电路4能作为晶体管特性图示仪7的恒流电子负载，且恒流电子负载电路4的恒定电流可以根据校准需要进行设定与调整；在对晶体管特性图示仪7进行基极电压扫描因数校准时，恒压电子负载电路5能作为晶体管特性图示仪7的恒压电子负载，且恒压电子负载电路5的恒定电压可以根据校准需要进行设定与调整，从而可以实现对晶体管特性图示仪7的有效校准。
如图2所示，所述恒流电子负载电路4、恒压电子负载电路5与校准连接电路6匹配形成的连接端包括校准电压连接端Uin、参考电压连接端UREF以及校准接地端；
所述恒流电子负载电路4包括运算放大器U1、功率管M1以及可变电阻R5，所述运算放大器U1的同相端与参考电压连接端UREF连接，运算放大器U1的反相端与功率管M1的源极端连接，运算放大器U1的输出端与功率管M1的栅极端连接，所述功率管M1的漏极端与校准电压连接端Uin连接，功率管M1的源极端还通过可变电阻R5接地；
在利用恒流电子负载电路4对待校准的晶体管特性图示仪7校准时，所述校准电压连接端Uin与晶体管特性图示仪7的集电极连接端C连接，所述晶体管特性图示仪7的发射极连接端E与校准接地端连接。
本发明实施例中，运算放大器U1的电源正端与+12V电压连接，运算放大器U1的电压负端接地。一般地，恒流电子负载电路4能提供的恒流范围为0.1mA～20A，参考电压连接端UREF加载参考电压UREF的范围为0.1V～1V，则可变电阻R5的范围是0.05Ω～1kΩ，具体实施时，可变电阻R5的阻值范围可以分五档，分别为：1kΩ～0.1kΩ～0.01kΩ～1Ω～0.1Ω～0.05Ω。选取相应的参考电压UREF且可变电阻R5取相应的阻值时，能使得恒流电子负载电路4具有不同的恒流值。
以恒流电子负载电路4提供0.1mA的恒流值为例，对恒流电子负载电路4的恒流过程进行说明，此时可变电阻R5的阻值为1kΩ，参考电压UREF=0.1V。当校准电压连接端Uin上加载的校准电压Uin小于0.1V时，通过功率管M1以及可变电阻R5的电流就必定小于0.1mA，功率管M1处于饱和导通状态，电流随着校准电压Uin的增加快速增加，当校准电压Uin的增加使得电流达到0.1mA时，功率管M1源极端上的电压为0.1V，此时，运算放大器U1输出为0V，功率管M1处于临界夹断状态，当校准电压Uin继续增加而使电流稍微超过0.1mA时，功率管M1源极端上的电压就大于0.1V，即运算放大器U1反相端的电压大于0.1V，此时，运算放大器U1的输出就变负，功率管M1的夹断空间长度就变大，通导电阻变大，功率管M1源极端增加的电压量全部分压在功率管M1的源极端、漏极端间增加的电阻上，使可变电阻R5上的电压保持不变，从而使通过可变电阻R5的电流保持不变。无论校准电压Uin在大于0.1V以上如何变化，通过可变电阻R5的电流总能保持0.1mA。
如图3所示，所述恒压电子负载电路5包括运算放大器U2以及功率管M2，所述运算放大器U2的反相端与滑动变阻器R4的可动端连接，滑动变阻器R4的一端与电阻R2的一端、电阻R3的一端、运算放大器U2的同相端以及负载电压连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端与功率管M2的漏极端连接，运算放大器U2的输出端与功率管M2的栅极端连接，功率管M2的漏极端还与校准电压连接端Uin连接，功率管M2的源极端接地。
本发明实施例中，负载电压也可以为加载在运算放大器U2电源正端上的电压，加载在运算放大器U2电源正端上的电压为+12V，运算放大器U2电源负端接地，所述运算放大器U2的电源负端、功率管M2的源极端还可以与上述的校准接地端连接，实现接地要求。
如图2所示，对晶体管特性图示仪7进行集电极电流扫描因数校准时，关断晶体管特性图示仪7内的阶梯波发生器关断，并将晶体管特性图示仪7内的功耗限制电阻选择适当值，一般来说，对于较大的集电极电流，功耗限制电阻可以小一点；对于较小的集电极电流，功耗限制电阻可以大一点；此外，将晶体管特性图示仪7内的集电极扫描电源先关到最小。将校准装置1的校准电压连接端Uin、校准接地端分别与晶体管特性图示仪7的集电极连接端、发射极连接端对应连接。
校准时，调节集电极扫描电源，并使得恒流电子负载电路4输出的电流慢慢上升，即集电极扫描电源输出的电压即为加载到校准电压连接端的校准电压Uin。当达到恒流电子负载电路4设的恒流设定值时，电流就不随集电极扫描电源的变化而变化，由于集电极扫描电源输出0°～180°正弦波的周期重复电压，它的电压幅度通过调节器调节是可以变化的。设集电极电流扫描因数被校准档是100mA/div，则可以调节恒流电子负载电路4输出的恒定电流从100mA变化到1000mA，则所述待校准的晶体管特性图示仪7屏幕上就会出现0.1A变化到1A的扫描线，比较扫描线和屏幕刻度的重合性就能得到该档的测量误差。
如图4所示，校准100mA/div档时，在100mA、500mA、1000mA三点在屏幕上的图象，从图上可以看出，屏幕刻度和实际电流值基本重合，若是有误差，电流扫描线和刻度就不重合，测量不重合的距离就就能得到这一档的误差。此外，还能看出集电极电流测量的非线性情况。
如图3所示，利用恒压电子负载电路5对晶体管特性图示仪7进行基极电压扫描系数校准时，将校准装置1的校准电压连接端Uin、校准接地端分别与晶体管特性图示仪7的基极连接端、发射极连接端对应连接。
将晶体管特性图示仪7的基极串联电阻设置到适当数值，并将晶体管特性图示仪7内的阶梯波发生器输出电压调到10簇级，量程从0.01V/级～1V/级。则在基极电压扫描因数0.01V/div～1V/div间，调节恒压电子负载电路5恒压值在0.01V～0.1V或1V～10V，比较恒压电子负载电路5的恒压值与所述经晶体管特性图示仪7屏幕显示值即能确定基极电压扫描因数的准确度。
如图5所示，是校准基极电压扫描因数在0.1V/div时的情况，由图可以看出，当反映电压的光点到达屏幕刻度时，查看恒压电子负载电路5的恒压值，通过比较恒压值和刻度的读取值，就能得到基极电压扫描因数的测量误差。
如图2所示，利用恒流电子负载电路4能对晶体管特性图示仪7进行功耗限制电阻的校准，即用两次测量恒流电子负载电路4的电压差值和电流差值的比来确定功耗限制电阻的阻值大小。
如图6所示，是三极管的输出特性曲线，将校准装置1的校准电压连接端Uin、校准接地端分别与晶体管特性图示仪7的集电极连接端、发射极连接端对应连接。调节晶体管特性图示仪7内的集电极扫描电源到60V，图中可以看到一条直流负载线，不同的功耗电阻就会得到不同斜率的直流负载线。设第一次恒流电子负载电路4输出的恒定电流在2mA处，用数字电压表测量晶体管特性图示仪7的集电极连接端C-发射极连接端E间半波正弦脉冲的峰值电压，设为40V；第二次测量时，调节恒流电子负载电路4输出的恒定电流在到5mA，设此时恒流电子负载电路5的校准电压连接端Uin峰值电压为10V，恒流电子负载电路5的下降是由于功耗限制电阻的电压消耗所致，此压降为40-10=30V，可以得到功耗限制电阻为R=30V/3mA=10kΩ。调节不同的功耗限制电阻将得到不同的恒流电子负载电路的端电压，通过计算就可以得到不同的功耗限制电阻。功耗电阻一般是在1Ω～100kΩ内，按1-2-5的倍率变化来确定电阻点。
本发明利用恒流电子负载电路4能实现对晶体管特性图示仪7进行集电极电流扫描因数、功耗限制电阻进行有效校准，通过恒压电子负载电路5能实现对晶体管特性图示仪7进行基极电压扫描因数的校准，从而能实现对现有无校准插孔晶体管特性图示仪7的有效校准，使用操作便捷，适应范围广，安全可靠。

Claims (4)

1.一种晶体管特性图示仪校准装置，其特征是：包括用于对晶体管特性图示仪（7）进行集电极电流扫描因数校准、功耗限制电阻校准的恒流电子负载电路（4）以及用于对晶体管特性图示仪（7）进行基极电压扫描因数校准的恒压电子负载电路（5），所述恒流电子负载电路（4）、恒压电子负载电路（5）均与校准选择控制电路（2）连接，所述校准选择控制电路（2）的输入端与校准选择电路（3）连接，恒流电子负载电路（4）、恒压电子负载电路（5）能通过校准连接电路（6）与待校准的晶体管特性图示仪（7）连接；
所述校准选择电路（3）能向校准选择控制电路（2）输入对待校准晶体管特性图示仪（7）的校准类型，校准选择控制电路（2）能选择并启动与校准类型相匹配的恒流电子负载电路（4）或恒压电子负载电路（5），以利用启动的恒流电子负载电路（4）或恒压电子负载电路（5）对晶体管特性图示仪（7）进行所需的校准。
2.根据权利要求1所述的晶体管特性图示仪校准装置，其特征是：所述恒流电子负载电路（4）、恒压电子负载电路（5）与校准连接电路（6）匹配形成的连接端包括校准电压连接端Uin、参考电压连接端UREF以及校准接地端；
所述恒流电子负载电路（4）包括运算放大器U1、功率管M1以及可变电阻R5，所述运算放大器U1的同相端与参考电压连接端UREF连接，运算放大器U1的反相端与功率管M1的源极端连接，运算放大器U1的输出端与功率管M1的栅极端连接，所述功率管M1的漏极端与校准电压连接端Uin连接，功率管M1的源极端还通过可变电阻R5接地；
在利用恒流电子负载电路（4）对待校准的晶体管特性图示仪（7）校准时，所述校准电压连接端Uin与晶体管特性图示仪（7）的集电极连接端连接，所述晶体管特性图示仪（7）的发射极连接端与校准接地端连接。
3.根据权利要求2所述的晶体管特性图示仪校准装置，其特征是：所述恒压电子负载电路（5）包括运算放大器U2以及功率管M2，所述运算放大器U2的反相端与滑动变阻器R4的可动端连接，滑动变阻器R4的一端与电阻R2的一端、电阻R3的一端、运算放大器U2的同相端以及负载电压连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端与功率管M2的漏极端连接，运算放大器U2的输出端与功率管M2的栅极端连接，功率管M2的漏极端还与校准电压连接端Uin连接，功率管M2的源极端接地。
4.根据权利要求2所述的晶体管特性图示仪校准装置，其特征是：所述恒流电子负载电路（4）的恒流范围为0.1mA~20A，参考电压连接端UREF上加载的电压为0.1V~1V。
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