Тема: Измерители параметров элементов электрической цепи

Уроки 41-42

1. Измерители параметров цепей с сосредоточенными постоянными

2. Резонансные измерители параметров элементов и цепей

3. Измерители параметров полупроводниковых приборов

стр. 277-326/1/

1. Основными параметрами элементов и цепей с сосредоточенными постоянными являются сопротивления резисторов, емкость конденсаторов, тангенс угла потерь конденсаторов, индуктивность и добротность катушки; взаимоиндуктивность двух катушек; сопротивление колебательного контура (цепи).

Контроль и измерение электрических параметров вызваны необходимостью отбора отдельных элементов при создании и испытании различных радиоэлектронных устройств.

Измерение параметров элементов и цепей может быть прямое и косвенное. Прямые измерения выполняются методами непосредственной оценки; косвенные – вольтметром и амперметром, нулевым методом и методом замещения.

Полное сопротивление цепи Z зависит от частоты питающего тока. Косвенное измерение полного сопротивления можно осуществить с помощью амперметра и вольтметра. Значение Z определяют по формуле Z = U/I, где U и I – значения напряжения и тока, измеренные приборами.

С помощью амперметра и вольтметра измеряются сопротивление R, индуктивность L и емкость C, если измеряемое сопротивление активное либо реактивное, т.е. если R= U/I или Х_C = 1/ ωС = U/I.

Сопротивления R, Х_C могут быть измерены по показаниям одного прибора: амперметра, измеряющего ток в цепи при I = соnst, или вольтметра, измеряющего падение напряжения на сопротивлении при U = const. Измерение сопротивления R амперметром реализуется в электромеханическом омметре, а вольтметром – в электронном омметре.

Измерения R, L, C осуществляют с помощью различных мостов (см. таблицу 13.1 в уроках 19-20) и резонансных измерителей.

Выбор метода и прибора для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными определяется характером и значением измеряемого параметра, требуемой точностью, диапазоном рабочих частот и приложенного напряжения, температурой и т.п.

2. Измерение параметров элементов и цепей на высо­ких частотах выполняют методом замещения в сочетании с явлениями резонанса в цепи. Резонансная частота ко­лебательного контура зависит от его индуктивности и ем­кости:

f= 1/(2π ). (13.38)

На низких частотах резонанс проявляется менее рез­ко, поэтому измерения выполняют на высоких частотах.

Резонансный прибор состоит из генератора высокой частоты (ГВЧ), колебательного контура и индикатора ре­зонанса - электронного вольтметра. В качестве индика­тора резонанса можно использовать электронный вольт­метр с большим входным сопротивлением, показания которого в момент резонанса максимальны. Если изме­ряемую катушку индуктивности включить параллельно конденсатору с известной емкостью и измерять резонанс­ную частоту, то значение индуктивности L_x можно полу­чить из выражения (13.38). Так же можно определить искомую емкость С_х, включив ее параллельно с катуш­кой известной индуктивности. Чтобы исключить влияние паразитных параметров на результаты измерения (ем­кость монтажа контура, собственную емкость катушки индуктивности, сопротивления, вносимые в колебатель­ный контур генератором высокой частоты и индикатором резонанса), резонансный способ применяют в сочетании с методом замещения. В этом случае измерения выполня­ют дважды.

Вначале резонансный контур, состоящий из индуктив­ности L и известной емкости Со, настраивают в резонанс на частоту fо, при этом фиксируют значения fо и емкости конденсатора Со₁. Затем параллельно конденсатору Со подключают конденсатор С_х (рис.13.15а) и изменением (уменьшением) емкости Со конденсатора добиваются ре­зонанса при той же частоте fо, соответствующее значе­ние емкости будет С₀₂ . Таким образом, изменением из­вестной емкости компенсируется включенная в контур неизвестная емкость, т. е. Со₁= С₀₂ +C_x, откуда

C_x = Со₁ - С₀₂ (13.39)

Резонансный способ измерения индуктивности можно использовать также в сочетании с методом замещения. На рис, 13.15,6 дана схема измерения малых индуктивностей L_x, составляющих последовательный колебательный контур с конденсатором известной емкости С₀.

Резонансным способом возможно измерение активно­го и полного сопротивлений.

Куметр. Одним из основных параметров, характери­зующих качество колебательного контура и отдельных его элементов, является добротность Q. На принципе резонанса работает измеритель непосредственной оценки добротности - куметр (рис. 13.16). При резонансе в последовательной цепи ω₀L=1/(ω₀С), а добротность ка­тушки (она равна добротности контура, если пренебречь потерями в конденсаторе)

Q = (ω₀L_KАТ)/R_КАТ = 1/(ω₀ С₀ R_КАТ) = U_ВЫХ / U_ВХ(13.43)

где L_KАТ, R_КАТ - параметры катушки; U_ВЫХ - напряже­ние на конденсаторе с известной емкостью Со в момент резонанса в контуре; U_BX - напряжение, вводимое в ре­зонансный контур.

Если поддерживать U_ВХ постоянным, то U_ВЫХ будет пропорционально Q и, следовательно, шкалу выходного вольтметра можно отградуировать в единицах добротно­сти. Входное напряжение, вводимое в измерительный кон­тур от генератора высокой частоты ГВЧ через емкостной делитель напряжения С_д1, С_д2, поддерживается постоян­ным при помощи входного электронного вольтметра (вольтметра уровня) и не превышает 0,2 В. В приборе имеется генератор фиксированной частоты для калибров­ки вольтметра Q. Куметры можно использовать в диапа­зоне частот 50 кГц—350 МГц.

Для определения полного сопротивления Z с помощью куметра измерения выполняют дважды без искомого и с искомым сопротивлениями.

3. Создание сложных радиоэлектронных устройств различного назначения, работающих с высокой надежно­стью и имеющих компактные габариты, связано с приме­нением интегральных схем (ИС) — микроминиатюрного изделия, выполняющего определенную функцию преобра­зования и обработки сигнала и имеющего высокую плот­ность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, ко­торые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое.

Свойства компонентов — диодов, транзисторов, рези­сторов, конденсаторов, входящих в состав ИС, — влияют на ее свойства.

В ряде случаев недостаточные знания их параметров, эксплуатационных особенностей, схемных включений не позволяют обеспечить оптимальные режимы работ ра­диоэлектронных устройств в целом. Значительный раз­брос параметров и характеристик полупроводниковых приборов, интегральных схем одного и того же типа, чув­ствительность к перегрузкам, температурным воздейст­виям вызывают необходимость перед установкой в ра­диоэлектронную цепь подвергать их испытаниям.

Полупроводниковые приборы классифицируются по их функциональному назначению, по значениям предель­ной мощности и частоты.

По технологии изготовления различают ИС полупроводниковые и пленочные.

Свойства диодов на низких частотах достаточно полно определяют их вольт-амперные характеристики или характеристики сопротивлений, снятые на постоянном токе. Она представляет собой соответственно зависимость тока и сопротивления диода от приложенного к нему напряжения.

На вольт-амперной характеристике диода (рис. 14.2а) имеются области с различными дифференциальными сопротивлениями R_ДИФ = ΔU/ΔI, поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении определенных условий измерения. При оценке параметров прямой ветви вольт-ам перной характеристики целесообразно задавать постоян­ный ток I_ПР и измерять прямое падение напряжения U_ПР. Это требование означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть существенно больше со­противления диода, чтобы изменение напряжения на диоде не вызывало изменений тока, выходящих за пре­делы заданной погрешности измерений, т. е. источник должен быть источником тока по отношению к диоду. Это условие должно выполняться при измерении напря­жения на всех участках характеристики, где дифференци­альное сопротивление мало. При измерении параметров диода в области пробоя следует задавать значение об­ратного тока I_ОБР и определять обратное напряже­ние U_ОБР.

При измерении параметров обратной характеристики диода, за исключением области пробоя, необходимо, что­бы источник питания, которым задается режим измере­ния, имел малое внутреннее сопротивление, так как в про­тивном случае незначительные изменения обратного тока будут вызывать большую погрешность при измерении обратного напряжения.

На рис. 14.2, б, в представлены схемы измерения пря­мой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики маломощного диода.

Стабилизированный источник постоянного тока обес­печивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода VD (рис. 14.2 б). Измерение прямого падения напряже­ния на диоде осуществляется высокоомным (10⁶ – 10⁹ Ом) цифровым вольтметром постоянного тока, а контроль дискретных значений тока — магнитоэлектрическим или цифровым амперметром. Падение напряжения на кон­тактной системе и в проводах, с помощью которых испы­туемый диод подключается к измерительной цепи, не должно превышать 1—2 % от максимально возможного значения прямого падения напряжения на диоде.

Основными эксплуатационными параметрами транзистора являются: параметры малого и большого сигналов, предельных режимов работы, тепловые параметры Параметры малого сигнала измеряют в линейных режимах. К ним относятся дифференциальные параметры, характеризующие работу транзистора в усилительных цепях, — параметры эквивалентной схемы транзистора (четырехполюсника) на низких и высоких частотах, гра­ничные частоты, шумы.

Параметры большого сигнала характеризуют работу транзистора в нелинейных режимах, при которых токи и напряжения между электродами изменяются в широ­ких пределах. К нелинейным режимам относятся режи­мы отсечки, насыщения, активной и инверсной области, импульсные параметры, временные интервалы переклю­чения. Параметры, измеренные для этих режимов, и вре­менные интервалы переключения необходимы для рас­чета ключевых схем, автогенераторов, усилителей и др.

Параметры предельных режимов работы — макси­мально допустимые мощности, токи, напряжения, мини­мально допустимые токи и напряжения.

Тепловые параметры характеризуют возможность ра­боты транзистора в различном диапазоне температур.

При проектировании и расчете схем с транзисторами, а также при их изготовлении широко используют вольт-амперные характеристики (входные и выходные), даю­щие представление о качестве и свойствах транзистора при различных значениях тока и напряжения и позво­ляют определить его параметры. Вольт-амперные харак­теристики можно измерить различными способами, на­пример на постоянном токе — цифровыми вольтметрами и амперметрами; на низкой частоте — характериографом, позволяющим визуально наблюдать семейство характе­ристик в широком диапазоне изменения тока и напряже­ния.

Обратный ток коллекторного перехода I_К.0 — ток че­рез переход коллектор-база при отключенном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе. Схема измерения тока I_К.0 для транзистора п-р-п- типапоказана на рис. 14.4, а. При измерении 1_К.₀ для транзистора р-п-р- типа полярность источника и микроамперметра изменяют на обратную.

В зависимости от типа транзистора ток I_К.0 мало­мощных транзисторов при температуре 20 °С не должен превышать 10—20 мкА.

Обратный ток эмиттерного перехода I_Э.0 — началь­ный температурный ток обратно смещенного эмиттерно­го перехода. Этот ток измеряется при разомкнутой цепи коллектора и определенном заданном напряжении на эмиттере (рис. 14.4,6). Для транзисторов p-n-p- типапо­лярность источника и прибора изменяют на обратную. Ток I_Э.0, как и ток I_К.0, увеличивается примерно вдвое при повышении температуры окружающей среды на 10 °С.

Начальный ток коллекторного перехода I к.н измеря­ется в схеме с общим эмиттером при нулевом напряже­нии между базой и эмиттером (U _Б.Э = 0), т. е. при базе, соединенной с эмиттером (рис. 14.4, в). Для некоторых типов маломощных транзисторов ток I к.н имеет значение 10 - 30 мкА, для транзисторов средней и большой мощ­ности — 3 - 10 мА.

Напряжение насыщения U'_К.Н является характерной точкой на вольт-амперных характеристиках транзистора и представляет собой условную границу между областью насыщения и активной областью. Это напряжение изме­ряют при U _К.Б = 0 при максимальном паспортном токе коллектора I_К.МАХ(рис. 14.4).