BJT参数测试仪中数控微电流源研究与实现

在数字式BJT(Bipolar Junction Transistor，双极面结型晶体管)参数测试系统中为了准确测量交直流放大倍数、输入／输出特性曲线等特性参数，需要在被测三极管的基极加合适的偏置电压，并且所加的偏置电压根据测试的具体参数不同其大小要能程控变化；另一方面，小功率BJT的基极输入电流较小，对其进行取样、处理过程中需要较大放大倍数的直流放大器，放大器设计较困难，而且零漂、干扰较大，会增大参数的测试误差；在实际使用时有NPN型和PNP型BJT，所以要求电流源输出是双极性的。为此设计了满足小功率BJT参数测试要求的双极性高精度数控微电流源，预置电流直接送入被测三极管的基极，这样就不需对基极电流进行采样，不但简化了电路设计，而且减小了系统测试误差。

1 数字式BJT参数测试原理

根据BJT主要特性参数的定义设计的数字式BJT参数测试系统原理框图如图1所示。该系统主要包括测试模块(图1中虚线框中的部分)和控制模块。测试模块主要完成集电极电流以及vBE和vCE等的取样及信号调理；控制模块主要实现数控电流源、数控电压源的控制以及数据的采集、LCD液晶显示器的控制等。测量放大倍数时，微控制器通过控制数控电流源为三极管基极提供合适的基极电流iB；通过数控电压源为三极管的集电极提供适当的集电极电压vC。现假设通过的集电极电流为iC，iC经集电极取样电阻取样后进行差动放大，这样就可以得到与iC成正比的电压信号kiC(k为放大系数)，再将该信号送入A／D转换器进行模／数转换，微控制器读入采样的电压值，并根据数控电流源提供的基极电流iB通过BJT直流放大倍数的定义式(1)即可算出直流放大倍数。

由式(1)并根据测量误差的传递公式和相对误差定义可得：

由式(2)可知，直流放大倍数的相对误差主要由基极电流和集电极电流的测量误差组成，所以为达到放大倍数的准确测量需要为基极提供高精度电流；另一方面，也需要准确的检测集电极电流。对交流放大倍数进行测试时，只需在测量直流放大倍数的基础之上再测试一次ic，由2次测试的结果可算出交流放大倍数。测试输入、输出特性曲线以及其他特性参数时可根据其定义通过该系统测试相关参数，在微控制器中通过计算、处理就可以得到相应的曲线和参数。

2 数控电流源设计及工作原理

基于以上要求这里设计的数控电流源以微控制器为核心，通过数／模转换器控制由运算放大器构成的压控电流源(VCCS)实现。

2.1 VCCS的工作原理

由运算放大器构成压控电流源电路如图2所示，该电路输出负载一端直接接地，所以又叫Howland电流泵。它通过电阻反馈网络构成了闭环控制系统，从而使其输出电流的稳定性好、精度高、输出阻抗低，运算放大器采用低噪声精密运放OP27。

2.1.1 定性分析

在图2的电路中，有2个电阻反馈网络。在输入电压保持不变的条件下，现假设因负载电阻减小而引起输出电流增大，则节点c，d的电压升高，则流过R2，R4的电流ID，IE增大，因R2不变，则节点a的电压升高，根据运算放大器“虚短”的概念，节点b的电压也要升高，在相同输入电压的情况下，此时流过电阻R1的电流减小，再根据运算放大器“虚断”的概念，则流过R3的电流也要减小，而输出电流为流过R3和R5的电流之和，所以此时输出电流减小，通过闭环反馈从而抑制了输出电流的增加，以达到恒流的作用，其恒流过程如下：

当电流增大时的原理与此相同，所以通过闭环反馈抑制了输出电流的变化，以实现恒流的目的。

2.1.2 定量分析

由式(13)可知，输出电流与输入电压成正比。根据小功率BJT参数测试要求，可以取R1，R2为2 kΩ，R3，R5为1 kΩ，则R4取2 kΩ，此处所用电阻均采用千分之一以上的精密电阻。当输入电压Vin为-5～+5 V时，输出电流为-5～+5 mA，在实际测试中也可根据具体的测试情况选取电阻的值，以满足实际测试所需电流的大小。

2.2 D／A转换电路设计

数／模转换采用美国TI公司推出的12位D／A转换器DAC1201KP-V，其内部的逻辑部分采用5 V供电，输出运放电源使用±10 V，内部自带基准电源；其数据接口适合4位，8位，12位，16位总线的微处理器；最大转换时间为7μs。

根据不同的电路连接形式，其输出电压范围可以是0～+10 V，±5 V和±10 V。当双极性输出为-5～+5 V时，输人数字量D与输出的模拟电压VOUT之间的关系为：

式(14)中，VFS为满量程值。根据式(14)可以算出当双极性输出-5～+5 V时，输出电压的分辨率为2.44 mV。

DAC1201的具体应用参见文献[4]，根据设计要求，在输出电压-5～+5 V时，其与8位微控制器AT89S52的接口电路如图3所示。其与单片机的接口采用双缓冲方式，第一级缓冲时单片机通过地址线A9，A10，A11并配合WR写信号将12位数据分3次送入DAC1201的数据缓冲区，第二次缓冲时单片机通过A8和WR的配合将12位数据从DAC1201的缓冲区送人DAC寄存器启动D／A转换。

2.3 软件设计

DAC1201的控制程序主要任务是将12位数据分3次送入D／A转换器的数据缓冲区，然后将数据送入DAC寄存器并启动D／A转换。由图3可知NA的地址为F7FFH，NB的地址为FBFFH，NC的地址为FDFFH，LDAC的地址为FEFFH。系统程序采用C语言编写，D／A控制程序流程图如图4所示。

3 测试结果

测试时选用的电源是DH1723-1，电压表是HP3468A，对V／I转换线性特性和稳流特性进行测试。

3.1 V／I转换线性特性测试

测试时，理论上应采用直接测量电流的方法，将HP3468A型万用表选择在电流档，并与负载串联，但HP3468A的电流档精度不够，精度只能达到0.01 mA，所以通过测量电压然后间接测量电流的方式进行测量。当R1，R2为2 kΩ，R3R5为1 kΩ，则R4取2 kΩ，负载是1 kΩ(所有电阻为千分之一精密电阻，负载实测电阻为0.999 69 kΩ)时实测的输入电压与输出电流的关系如表1所示。

3.2 稳流特性测试

当输入电压为1.003 71 V，改变负载电阻值，考虑到小功率三极管共射放大模式时其输入电阻为几千欧姆，所以使负载电阻的大小从150 Ω到5 kΩ变化时测量输出电流随负载变化的情况，其测试的数据如表2所示。

从表1可以看出输出电流与输入电压成线性关系，输出电流与理论值相比较其相对误差最大为1.881 9e—4。

由表2可知，在负载电阻阻值改变时，输出电流变化很小，与理论计算的电流值比较，其相对误差最大为3.486 9×10-4。

4 结语

根据BJT参数测试仪的要求设计高精度的数控微电流源，该电流源数控部分采用开环控制，V／I部分采用闭环控制，使输出的电流与输入电压达到了很好的线性关系。并且输出电流的负载变化率较小，稳定性很好，该数控电流源已成功的运用到BJT参数测试仪中，并取得了较好的应用效果。