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发表于 2019-4-18 21:36
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2.硬件设计
硬件设计希望在考虑适用性和灵活性的基础上尽量简单。为了可以测试PNP,NPN,P-FET,N-FET类型的中小功率管子,硬件上至少需要考虑以下能力:
1. 对于双极型晶体管(BJT)的PNP,NPN类型,基极采用电流源作为输入,集电极采用电压源作为输入,而且极性是可以变化的。对于PNP和NPN管子,起始的电流或电压都是0;
2. 对于场效应管(FET),栅极,漏极都采用电压源作为输入。电压源可以从负到正,或从正到负连续变化。由于FET栅极基本没有电流,可以不用考虑测试栅电流;
3. 对于中小功率双极型晶体管的Ice或场效应管的Ids,控制在500mA左右应该够用。Vce或Vds控制在+/-30V应该够用;
4. 对于中小功率双极型晶体管的Ib控制在5mA应该够用,场效应管Vg控制在+/-10V应该够用;
2.1测试电源的极性控制
首先考虑的是测试电源的极性控制方案。这对电路的结构影响最大。
以BJT为例,不管是Ib,还是Vc,在测试PNP和NPN管时,正好相反。最简单的方案是通过继电器控制输出电源的极性。同时也通过继电器控制采样电压的极性。这样做的好处主要是:
1) 无论是Ib,Vc的输出电路,还是Vbe,Ic的采样输入电路,只需要考虑单极性信号就可以。通过单片机的控制端口控制继电器的状态,就可以改变加载在被测管上的电源极性;
2) 大多数ADC和DAC只能处理单极性信号。采用继电器控制,同样的AD/DA转换可以有较高的精度(这主要是相对于后面要讲的电平平移电路)
但也有一些明显的缺点:
1) AD输出信号要增加运放实现反向输出;采样电路也需要额外的电路实现正,反向放大输出。然后再经过继电器切换。电路上看着不那么简洁。
2) 如果需要电源在+,-之间进行快速切换,继电器的方案就不太可行(继电器的切换时间至少几个ms,而且机械开关也不允许快速频繁切换)。这种情况在测试晶体管特性时似乎不存在,但心里总有那么一些别扭。
最终在纠结中先做了一版继电器的电路,后来又尝试了电平平移电路。到目前相对稳定的第5版,一直用的是电平平移。或许以后还会继续完善继电器版本(谁知道呢?)。
目前的电平平移电路的基本思路是,将DA输出的信号减去2.5v的基准电压(DA/AD的参考电压都是5V),使得DA输出的0~5V电压变成-2.5V~+2.5V双极性信号,将采样的信号(需要控制在-2.5V~+2.5V之间)加上2.5v基准电压,使得输入AD的信号为0~5V。
在具体电路实现上,参考了网上的一篇介绍,如下图:
2-1 电平平移
参考这里的介绍,电平平移电路效果比较好的是输入信号反向+基准的方式。这种方式噪声比较低。这个电路还有一定的放大作用。
如果令R1=R3=R, R2=R4=nR,带入Vout的计算公式,可得:
Vout = n(Vref – Vin)
在我的电路里,DA参考电压是5V,电平平移的参考电压是5V的一半,2.5V。因此要保证|Vin|<2.5V,Vref=2.5V。
电平平移电路使得正向电压和负向电压的动态范围从0~5V,压缩到了0~2.5V,对于正向电压,或者负向电压而已,DA/AD的精度相当于降低了一半。这也是考虑采样独立的更高精度DA/AD模块的原因。
2.2 V-I转换电路
由于BJT是电流驱动型元件,因此基极的输入,最好使用电流源。而FET是电压驱动型元件,栅极输入,需要使用电压源。目前使用的AD模块,输出的是电压。因此在测量FET的时候,可以直接将AD输出经过电平平移和放大后,作为栅极电压;而测量BJT时,AD的输出经过电平平移,还要经过V-I转换,将电压转换成电流输出。
下图是V-I转换电路的基本原理:
2-2 V-I转换原理
输入电压Vin经过V-I转换后成为电流源给RL供电。电流大小为Vin/Rs。
这个电路设计的非常巧妙,U1输出电压经过Rs后成为Vo,Vo又被U2缓冲后原样加到了U1的同相输入端,和输入电压Vin相加。因此U1的输出电压V1 = Vin + Vo, 流过Rs的电流Is = (V1-Vo)/ Rs = Vin/Rs。由于U2同相输入端是高阻抗,所以Is只能全部流入负载电阻RL。这里运放的反馈电阻都取一样的值R,Rs决定了输出电流的大小。下图是对V-I电路仿真的结果:
2-3 V-I转换仿真
用TL074实现V-I转换。
• TL074最大输出电流10mA,如果输入电压最高4V,则Rs最小为4V/10mA=400欧。
• 在+/-15V工作电压下,TL074最大输出电压幅度为13伏,可以计算出不同取样电阻下的最大电流和最大负载。如下表:
2-4 V-I转换测量数据
考虑Rs取1k,则:
• 最大输出电流为4mA
• 最大负载为2.25k
测试中,小功率管应该够用。
在实际应用时,负责产生Ib的DA模块的输出电压范围是0~5V,如果经过放大倍数是1倍的电平平移,输出电压范围为-2.5V~+2.5V,再经过V-I转换,输出的电流只有-2.5mA~+2.5mA。虽说对测量中,小功率晶体管,也够用(目前设定的测量小功率管Ib最大值为0.1mA,测量中功率管的Ib最大值为1mA,可以通过配置文件修改,但不能超过硬件电路允许的上限),但考虑到设计目标是5mA,因此还是采用2倍增益的电平平移电路。这样电平平移输出的范围为-5V~+5V,经过V-I转换,可以输出-5mA~+5mA。而电平平移电路输出再经过一级2倍增益的同相放大,可以得到测量FET的-10v~+10v栅极电压。
2.3 Vbe的采样电路
为了测量BJT的输入特性,在加载不同Ib的情况下,测量Vbe,就可以做出BJT的输入特性(Ib-Vbe)曲线。因此Vbe的采样电路主要就是测量V-I输出的电压值。
Vbe的电压范围一般是0~0.7V左右,考虑到PNP管和NPN管,Vbe的范围大概在-0.7V~+0.7V
在AD采样电平平移电路的输入范围(<|2.5v|)内,为了提高采样精度,可以对采样电压放大2倍,使得AD采样的输入电压在-1.6v~+1.6v范围内。
考虑到V-I转换是电流源。所以,如果没有负载,或者负载较大(前面计算过,Rs=1k情况下,最大负载为2.25k),V-I的输出电压会被钳制在靠近电源电压(实际是13V左右)。如果这个电压经过2倍放大(其实放大电路也放大不了,输出还是13V),再经过电平平移,会输出-10.5V的电压加载到AD模块上,有可能损坏AD电路。因此需要在AD输入端加保护电路。
这样,完整的Ib生成,采样电路如下图。用一片4运放(TL084)和一片双运放(TL082)实现。运放外围电阻(除了R204,R232外)尽量用高精度的,或者需要配对筛选。我的板子上用的是0.1%的金属膜电阻。
2-5 Ib电路
2.4 生成Vc的电路
Vc的电压摆幅要接近+/-30V,电流摆幅要接近+/-500mA,而单片机的工作电压只有5V,外围运放的工作电压设定在+/-15V,所以一定需要扩展输出电压和电流的电路。
参考了一些功放设计的资料,通过仿真,确定了以下电路结构。电路中电源电压VCCO+为+30V,VCCO-为-30V,运放工作电压+/-15V
2-6 Vc扩展电路
运放U101D负责信号放大,Q101和Q102是两个工作在共发射极模式的互补电路,分别把正压扩展到+30V,负压扩展到-30V,然后再驱动Q103和Q104组成的扩流电路。R106和R105组成反馈网络,控制整个电路的放大倍数为(100K+10K)/10K=11倍。
从图中看,虽然是从运放的(-)端输入,但因为Q101和Q102是共发射极,输出信号被反向了,所以从整体来看,Vc电路是同相放大电路。
图中C101和C102要在调试中尝试。在输入10K方波的情况下,以不产生寄生振荡,又最大限度保留高频信号为准。
2.5 考虑Ic采样电路
Ic采样电路的确定也是比较纠结的部分。看其他前辈的制作,Ic通常是在高电位取样,然后通过下拉电阻,测试取样电阻两端的电压,计算电压差,再计算Ic。典型电路如下图:
2-8 Ic采样-2
好一点的设计是采样仪表放大电路,消除共模电压。我在之前的版本里,也采用了上图所示的电路。对采样电阻两端的电压分别采样,AD转换后,计算电压差,再计算电流。在电流比较小的时候,误差比较大。采样仪表放大电路,又比较复杂。在当前的版本里,我将取样电阻放在了地端。取值只有0.5欧。如下图所示:
2-7 Ic采样-1
一般情况下,取样电阻放在发射极似乎是不被推荐的。因为Ib,Ic都会流过采样电阻,会影响Ic的计算,而且采样电压还会影响Vb的测量。但经过仔细估算后,我觉得在发射极采样还是可以考虑的。
1. 在知道Ib的情况下,通过计算Ic = Vrs/Rs – Ib,可以消除Ib对Ic的影响;
2. Rs取值非常小,只有0.5欧。假设Ic达到最大值500mA,在Rs上形成的压降为0.25V。也就是说Vb最多被提升0.25V,加上Vbe电压,不会超过1.1V,这样还在Vb的测量范围内(|Vb|<2.5V),不会导致Vb无法测量。
3. 在测量出采样电阻Rs的压降Vrs的情况下,可以通过计算Vbe=Vb-Vrs消除Vrs对Vbe的影响。
4. 测量Vrs之前,先对采样电压放大10倍。假设Ic的最小分辨率为1mA,则Vrs经过放大后=0.5*0.001*10=5mV; Ic最大为500mA, 则Vrs经过放大后=0.5*0.5*10=2.5V。刚好达到电平平移允许的范围。还是可接受的。
在发射极采样还有几个方面的好处:
1. 就是简单。比高电位采样电路简单很多,而且没有共模电压干扰;
2. 可以比较简单的实现Vrs自动增益控制。目前是固定的10倍,如果需要,可以改成自动量程,增加测量的精度。只需要通过电子开关(或FET)控制运放(-)端落地电阻的大小即可。
3. 现在的Rs可以提供一定的负反馈能力。在测量的时候有利于稳定Ic
4. 还有一个好处。在测量的初始状态,一般是管子截止的状态下,AD电路采样,计算出的Vrs值,基本就是运放的失调电压。利用这个值可以对计算结果进行自动修订。在小信号测量的时候非常有用。而且可以降低对运放的要求。
把电平平移电路加进来,就形成了完整的Vc输出和Ic采样电路。考虑Vc生成电路和AD采样电路尽量分开,采用两片双运放TL082实现。如下图:
2-9 Vc-Ic电路
今天先到这里吧,下次再继续完成硬件电路的其他部分。
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