Меню

Как измерение параметров полевых транзисторов



Как проверить полевой транзистор и снять его основные характеристики?

Простое универсальное устройство для измерения параметров JFET-транзисторов
со встроенным p-n переходом обеднённого типа и MOSFET-транзисторов обогащён-
ного типа.

В последнее время в радиолюбительской практике всё чаще встречаются устройства, построенные на полевых транзисторах. Причиной этого является ряд полезных качеств полевиков, таких как: высокое входное сопротивление, низкий уровень собственных шумов, малая проходная ёмкость, высокая температурная стабильность и т. д. и т. п.

Казалось бы — вот оно счастье! Ан нет — главным ограничением при использовании любых полевых транзисторов является разброс параметров. Эти параметры индивидуальны для каждого конкретного экземпляра и могут существенно различаться даже у однотипных полевых транзисторов из одной партии.

В разных источниках можно найти всевозможные описания измерителий параметров ПТ, но они либо сложны, либо представляют собой простейшие тестеры для определения начального тока стока и напряжения отсечки.
Предлагаемый к рассмотрению довольно простой прибор позволяет измерять величину напряжения затвор-исток при различных (задаваемых) токах стока. Это даёт возможность не только сразу и точно рассчитать номиналы резисторов, задающих режим работы каскада, но и снять вольт-амперные характеристики полупроводника, а при выполнении пары простейших манипуляций с калькулятором — вычислить крутизну передаточной характеристики.
Объектами для снятия характеристик могут быть как JFET-транзисторы со встроенным p-n переходом, так и MOSFET транзисторы обогащённого типа. Параметры считываются при помощи внешнего вольтметра или мультиметра (наличие которого предполагается у каждого радиолюбителя) в количестве — одна штука.

Рис.1 Схема устройства для измерения характеристик полевых транзисторов

Представленный на Рис.1 измерительный прибор довольно универсален и адаптирован для работы с любыми полевыми транзисторами, для которых необходимо как положительное смещение затвора относительно истока, так и отрицательное. С учётом различной проводимости ПТ таких типов полупроводников набралось 4 штуки: JFET n-типа, JFET p-типа, MOSFET n-типа и MOSFET p-типа.
Для того, чтобы избежать обустройства сложной коммутации в устройстве было решено под каждый вид полевика использовать отдельные клеммы подключения.

По большому счёту, схема представляет собой линейный стабилизатор тока. Токовым датчиком здесь является пара резисторов R3, R5 (или R4, R6), суммарное сопротивление которой рассчитывается исходя из формулы R ≈ 0,6/Iнагр .
При увеличении тока через испытуемый ПТ падение напряжения на датчике растёт. При достижении им значения 0,6В транзистор T2 начинает открываться, уровень напряжения на затворе ПТ падает, ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация Iс полевого транзистора.

Поскольку для нормальной работы n-канального JFET транзистора значение Uзи должно находиться в отрицательной области, напряжение на его истоке зафиксировано на уровне 5,2В посредством делителя R1, R2 и эмиттерного повторителя Т1.
Для n-канального MOSFET транзистора значение Uзи должно находиться в положительной области, поэтому его исток посажен на землю.

Для р-канальных транзисторов всё происходит аналогичным образом, но с обратной полярностью, для чего схема управления на транзисторах Т3 и Т4 перевёрнута относительно питания и земли.

Как было сказано, регулировка тока стока тестируемого транзистора задаётся изменением величины сопротивления токового датчика. Для удобства пользования прибором весь диапазон регулировки тока разбит на 2 поддиапазона: 0,2. 3мА и 2. 35мА.
Для того чтобы избежать необходимости использования дополнительного измерительного прибора, потенциометры следует снабдить шкалой и проградуировать. Ввиду того, что далеко не каждый JFET транзистор в состоянии выдать ток истока — 35мА, градуировку лучше выполнять с каким-нибудь не сильно мощным MOSFET транзистором, например, MOSFET n-типа из серии 2N7000 — 2N7002.
Далее всё просто: 1. Установить полевой транзистор; 2. В разрыв между его стоком и плюсом источника питания временно включить амперметр; 3. Нанести на шкалу резисторов отметки, соответствующие показаниям прибора в обоих поддиапазонах изменения тока.

Как пользоваться прибором?

1. Начальный ток стока полевого транзистора (только для JFET-ов) — это ток стока при Uзи = 0.
Крутим потенциометр, пока вольтметр не покажет Uзи = 0В. Показания на шкале потенциометра и будут являться искомым значением начального тока стока.
В принципе этот параметр имеет практический смысл только при расчёте каскадов с общим истоком, в которых исток без резистора посажен напрямую на землю (или шину питания для р-типа).

2. Напряжения отсечки полевого транзистора — это напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (10мкА. 1мА).
Параметр для аналоговой электроники мало информативный, а для switch MOSFET-ов задаётся при токе 250мкА и выше — поэтому 200мкА, выдаваемые прибором для измерения Uзи_отс, вполне достаточны для практического использования.

3. Напряжения Uзи при заданном токе стока — это главный параметр для расчёта усилительного каскада на полевом транзисторе.
Критериев выбора значения тока стока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. Исходя из этих критериев, разработчик, как правило, заранее знает при каком токе будет работать тот или иной каскад на ПТ.
Поэтому и тут всё очень просто: устанавливаем потенциометром необходимый ток стока и измеряем вольтметром Uзи.
Как дальше (с учётом снятых параметров) рассчитать элементы каскадов на полевых транзисторах мы подробно рассмотрели на страницах ссылка на страницу 1 и ссылка на страницу 2.

4. Крутизна передаточной характеристики — немаловажный параметр для расчёта коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе.
Поскольку существует довольно сильная зависимость крутизны от начального тока стока транзистора, то и измерять её надо в непосредственной близи от заданного тока стока.
Предположим, что каскад будет работать при токе Iс=2мА. Тогда измерения напряжений Uзи можно провести при токах 1,5 и 2,5 мА, а значение крутизны вычислить по формуле S = ΔIc/ΔUзи (мА/В).

Источник

Простое устройство для измерения параметров полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

John Fattaruso, США

При работе с дискретными полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом (JFET) иногда приходится принимать во внимание значительный разброс параметров у приборов одного типа. Передаточная характеристика JFET обычно аппроксимируется квадратичной функцией:

ID – ток стока,
VGS – напряжение затвор-исток,
β – крутизна характеристики,
VP – напряжение отсечки.

Исходя из этой аппроксимации, начальный ток стока при нулевом напряжении затвор-исток можно выразить следующим соотношением:

IDSS – начальный ток стока.

Рисунок 1. Зависимость ID от VGS для n-канальных полевых транзисторов имеет значительный разброс.

Изображенный на Рисунке 1 график этой зависимости для трех n-канальных транзисторов демонстрирует значительный разброс передаточных характеристик. Например, в справочных данных на транзистор 2N4416A указан диапазон напряжений отсечки от −2.5 до −6 В, а начальных токов стока – от 5 до 15 мА. Эти два параметра взаимосвязаны, что хорошо видно из рисунка. Крайние кривые характеризуют границы разброса, а средняя, возможно, соответствует типовому случаю: напряжение отсечки равно –4 В, а начальный ток стока – 8 мА.

Конструируя схему для массового производства, вы, естественно, воспользуетесь известными схемотехническими решениями для компенсации разброса параметров. Но иногда требуется найти транзистор с оптимальными для конкретной схемы характеристиками, или подобрать согласованную пару.

На Рисунке 2 показана простая схема, позволяющая решить эту задачу. Хотя на рисунке мы видим n-канальный транзистор, исследуемый прибор может иметь любую полярность, выбираемую с помощью переключателя S1. К контактам в правой части схемы подключается внешний вольтметр. Переключателем S2 выбирается измеряемый параметр – напряжение отсечки или начальный ток стока. При измерении напряжения отсечки оно непосредственно отображается вольтметром. В другом режиме вольтметр показывает падение напряжения, вызываемое протеканием начального тока стока через эффективное сопротивление 100 Ом.

Рисунок 2. Подключая к истоку исследуемого транзистора сопротивления R1 или R2, можно измерять его напряжение отсечки или начальный ток стока.

Когда переключатель S2 находится в положении измерения напряжения отсечки, R1 ограничивает ток, протекающий через сток транзистора, до величины нескольких микроампер, что позволяет, с учетом полярности, считать напряжение на истоке близким приближением к измеряемому параметру. Операционный усилитель здесь выполняет функцию буферного повторителя с отрицательной обратной связью через резистор R3, поэтому показания внешнего вольтметра будут прямо соответствовать абсолютной величине напряжения отсечки.

Напротив, в режиме измерения начального тока сопротивление между истоком транзистора и землей равно всего 10 Ом, поэтому протекающий через резистор ток можно считать равным начальному току стока. Цепь обратной связи, в которую теперь входят резисторы R4 и R5, устанавливает коэффициент передачи усилителя равным 10. При таком коэффициенте усиления вольтметр может уверенно отображать небольшое падение напряжения на R2, разделив которое на 100 Ом, можно получить значение начального тока. Например, показаниям вольтметра 1 В соответствует начальный ток 10 мА.

При измерении характеристик n-канальных транзисторов в обоих режимах показания вольтметра положительны. Для p-канальных транзисторов все сказанное выше остается в силе, за исключением того, что полярность напряжений на выходе схемы изменится на противоположную. Если исследуемый транзистор вы подключаете с помощью щупов и зажимов, обладающих паразитной последовательной индуктивностью, для предотвращения высокочастотной генерации, возможно, вам придется включить дополнительный конденсатор C1. R6 обеспечивает стабильность схемы, изолируя цепь обратной связи операционного усилителя от влияния паразитной емкости вольтметра и его выводов. Резистор R7 защищает источник питания от случайных замыканий между контактами, к которым подключается транзистор. R4 и R5 можно заменить одним резистором с сопротивлением 1.1 кОм.

Беря по очереди транзисторы из коробки и щелкая переключателем, вы очень быстро подберете пару, параметры которой оптимальны для вашей схемы, а заодно убедитесь в справедливости графиков, изображенных на Рисунке 1.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Измерение параметров полевых транзисторов

Прибор для проверки основных параметров маломощных полевых транзисторов выполнен на основе недорогих цифровых мультиметров, возможно, даже с неисправными переключателями пределов измерения. Это минимизировало затраты труда по монтажу и изготовлению конструкции. Цифровые показания несколько облегчают сравнение транзисторов и подбор пар для дифференциальных каскадов. Крутизну транзисторов определяют простейшим расчетом.

По роду своей деятельности мне часто приходится ремонтировать контрольно-измерительную аппаратуру с полевыми транзисторами. Они применяются в модуляторах, входных каскадах усилителей в осциллографах и цифровых вольтметрах, коммутационных устройствах и пр. Например, в вольтметре В7-38 установлено около 30 транзисторов серии КП301. Эти транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, и малейшее несоблюдение технологии монтажа приводит к выходу их из строя. Большинство неисправностей приборов, которые связаны с выходом из строя полевых транзисторов, удается устранить простой заменой, но если транзисторы используют в дифференциальных или «симметричных» каскадах, их необходимо подобрать по основным параметрам.


Рис. 1
К основным параметрам полевых транзисторов относятся начальный ток стока, напряжение отсечки и крутизна характеристики. Определить их, а следовательно, и принять решение о пригодности полевого транзистора к использованию возможно с помощью устройства, схема которого изображена на рис. 1. Изменяя напряжение на затворе и контролируя ток стока, можно узнать все три основных параметра. Для транзисторов с затвором на основе р-n перехода или с изолированным затвором и встроенным каналом начальный ток стока IСнач — это ток стока при нулевом значении напряжения на затворе. Напряжение отсечки U3иотс — напряжение на затворе, при котором ток стока достигает близкого к нулю значения. Крутизна характеристики определяется как отношение изменения тока стока ΔIС (мА) к вызвавшему его изменению напряжения между затвором и истоком ΔUзи (В): S = ΔIС/Δ U3и- Применив в приборе цифровые измерители тока и напряжения, вычислить значение крутизны для транзисторов любой структуры будет несложно.

Крутизна S полевого транзистора с управляющим р-n переходом зависит от напряжения затвор- исток U3и и имеет максимальное значение Smax при напряжении на затворе, равном нулю. Если измерены значения начального тока стока IСнач и напряжения отсечки U3иотс. крутизну можно приблизительно оценить по формулам:

где напряжение — в вольтах, ток — в миллиамперах, крутизна — в размерности мА/В [1].

Для транзисторов с изолированным затвором крутизну при токе стока Ic и напряжении Uзи можно рассчитать по формуле

S = 2Ic/|Uзи — Uзиотс|

где UЗИотс — напряжение отсечки либо пороговое напряжение (для транзисторов с индуцированным затвором).

На основе макета этого устройства изготовлен прибор для оперативного измерения основных параметров полевых транзисторов и контроля их работоспособности.

Технические характеристики
Измеряемое напряжение на затворе, В . -12. +12
Разрешающая способность вольтметра, мВ. 10
Измеряемый ток стока, мА . .-20. +20
Разрешающая способность миллиамперметра, мкА. 10
Погрешность измерения IСнач и Uзи, %, не более . 1
Ток потребления прибора, мА, не более . 60


Рис. 2

В приборе есть защита проверяемого транзистора от повреждения.

Схема измерителя изображена на рис. 2. Для изменения напряжения на затворе транзистора используется переменный резистор R2, подключенный к двухполярному источнику питания 2×12 В, что позволяет получить характеристику крутизны любого полевого транзистора малой мощности как с n-каналом, так и с р-каналом. Резистор R3 необходим для ограничения тока затвора. Полярность напряжения на стоке изменяют переключателем SB1. Для исключения перегрузки миллиамперметра использован ограничитель тока на транзисторе VT1 и резисторе R1. Ограничение возникает при токе 25 мА, поскольку максимальный измеряемый ток выбран равным 20 мА. Диодный мост VD1 обеспечивает действие ограничителя при любом направлении тока стока. Реле К1 и К2 предотвращают выход из строя измеряемого полевого транзистора от статического электричества: пока не нажата кнопка «Измерение» SB2, обмотка реле отключена, а контакты для подключения транзистора замкнуты между собой и на общий провод. При измерении кнопка нажата и через контакты реле транзистор подключен к измерительным цепям. Светодиод HL1 сигнализирует о том, что происходит процесс измерения.

Главная часть устройства — миллиамперметр РА1 и вольтметр PV1 — собрана из готовых узлов мультиметров M890D. Основа этих мультиметров — широко известная микросхема ICL7106. Эти приборы выбраны из-за удобного большого корпуса, чтобы снизить трудозатраты при изготовлении измерителя параметров. Питание аналого-цифрового преобразователя (АЦП) мульти-метра — от двухполярного источника питания +5/-5 В, необходимого для микросхем АЦП и остальных частей устройства. Микросхема АЦП имеет такую возможность, если мультиметр доработать так, как показано на фрагменте схемы на рис. 3 (нумерация элементов условная).


Рис. 3
В основном включении, используемом при батарейном питании, выводы 30,32 и 35 соединены вместе. При двух-полярном питании вывод 30 (низкоуровневая цепь АЦП) отключают от этой точки. В этом случае микросхема измеряет разность потенциалов между выводами 30 и 31, при этом вход АЦП отвязан от цепей питания. Единственное условие — напряжение в любой из измерительных цепей не должно превышать напряжения питания АЦП относительно общего провода. Такая доработка описана в [2].

При минимальных переделках микросхема обеспечивает измерение напряжения до 200 мВ без делителей. Для построения вольтметра с пределом 20 В, необходимого для измерения напряжения затвора, использован делитель 1:100, состоящий из резисторов R5 и R6. Для построения миллиамперметра с пределом измерения 20 мА служит резистор R7. При токе 20 мА на нем падает напряжение 200 мВ, которое и измеряет АЦП. Миллиамперметр установлен в цепь истока и измеряет ток транзистора. Такое решение продиктовано невозможностью измерять ток в цепи стока, потому что на измерительных выводах миллиамперметра может присутствовать напряжение, превышающее питающее для микросхемы АЦП. Вольтметр включен между затвором и истоком, поэтому через делитель R5R6 будет протекать ток с максимальным значением не более 12мкА, что будет вызывать ошибку в показаниях миллиамперметра в одну единицу младшего разряда, которая оказывается несущественной.

Схема блока питания прибора изображена на рис. 4.


Рис. 4

Для понижения сетевого напряжения до 12 В используется трансформатор Т1. Далее переменное напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 и фильтруется конденсаторами С1, С2. Стабилизаторами двухполярного напряжения +12/-12В служат микросхемы DA1, DA2. Двухполярное напряжение +5/-5 В стабилизирует микросхемы DA3 и DA4. Стабилизаторы включены последовательно для уменьшения падения напряжения на стабилизаторах DA3 и DA4. Схема двухполярного источника питания может быть любой другой; возможно даже использовать автономное питание, например от батарей «Корунд». Для этого потребуется добавить преобразователь напряжения батареи в необходимое для питания остальных узлов измерителя.


Рис. 5

Детали и конструкция. В приборе можно применить следующие детали. Резисторы R5-R7 — С2-29 или другие с допуском не более ±0,5 %, хотя номиналы могут отличаться от указанных на схеме; главное — стабильность сопротивления. Остальные резисторы — любые, например МЛТ0.125. Переменный резистор R2 — многооборотный, например, РП1-53 или предназначенный для прецизионной регулировки (по гру-боточной схеме) — СП5-35, СП5-40.

Если найти такой не удастся, резисторы R2 и R3 можно заменить аналогом — узлом из двух переменных и двух постоянных резисторов, как это сделано в моей конструкции. Схема такого узла изображена на рис. 5. Резистором R1 напряжение устанавливают грубо, a R2 — точно.

Светодиод можно заменить другими, например, из серий АЛ 102, АЛ307, КИПД, лучше красного цвета свечения. Диодные мосты — КЦ407 с любой буквой, вместо них можно применить отдельные кремниевые диоды с допустимым средним током не менее 200 мА в выпрямителе и 100 мА — в ограничителе тока. Для упрощения конструкции применены микросхемы интегральных стабилизаторов 7812, 7912, 7805 и 7905, отечественные аналоги которых — соответственно КР142ЕН8Б, КР1162ЕН12А, КР142ЕН5А и КР1162ЕН5А.

Реле — РЭС60 (исполнение РС4.569.435-07) или аналогичные с двумя контактными группами на переключение.

Сетевой трансформатор Т1 -любой, обеспечивающий выходные напряжения 2х 15 В и ток не менее 100 мА, его можно взять из сетевого адаптера мощностью не менее 6 Вт. Вторичную обмотку такого трансформатора перематывают для получения нужного двухполярного напряжения. Трансформатор и выпрямитель размещены в корпусе адаптера, а элементы стабилизатора расположены в корпусе прибора. Прибор соединяется с адаптером трехпроводным кабелем.

Весь измеритель сооран в корпусе одного из мультиметров. При изготовлении прибора мультиметры были вскрыты и после удаления ненужных частей плат объединены в одном корпусе, как показано на рис. 6.


Рис. 6

Лишние детали — резисторы делителя, переключатель и прочее — удаляют (поэтому поводом для изготовления такого прибора может быть неустранимый дефект переключателя подобного мультиметра). Оставляют только часть платы с микросхемой ICL7106, индикатором, элементами «обвязки» микросхемы и индикатора и кнопками включения, которые выполнят роль переключателей SB1, SB2. Печатные проводники, идущие к этим переключателям, должны быть обрезаны.

Нижнюю крышку мультиметра обработке не подвергают, а верхнюю придется доработать. У одного прибора крышку спиливают так, чтобы осталась только часть с индикатором и кнопкой. У второго вырезают середину там, где находится переключатель пределов, и на это место вклеивают вырезанную часть конструкции первого прибора. При вырезании частей от верхних крышек сохраняют стойки, в которые ввинчивают винты-саморезы, скрепляющие верхнюю и нижнюю крышки. Сверху, около кнопки, крепят резистор, регулирующий напряжение на затворе. Снизу устанавливают разъем для подключения полевых транзисторов. В качестве разъема использована цанговая панель для микросхем. Середину панели вырезают, и ряд контактов склеивают. Выбор цанговой панели обусловлен высокой износостойкостью.

В моей конструкции применена небольшая плата из фольгированного текстолита, на которой устанавливают панель, светодиод и реле. В свою очередь, плату двумя винтами крепят к лицевой панели. Лишние отверстия на лицевой панели заклеивают вырезанной по размеру пластиной из пластмассы или электрокартона, на которую приклеивают отпечатанную на принтере накладку, ее вид показан на рис. 7.


Рис. 7

Большинство транзисторов имеют цилиндрический корпус с меткой-ключом для определения выводов. Контакты разъема для подключения полевых транзисторов соединяются между собой согласно назначению таким образом, чтобы у каждого типа транзисторов было свое место без необходимости уточнять цоко-левку. В предлагаемом варианте транзисторы устанавливают ключом вверх. Соединения отдельного вывода корпуса транзисторов с истоком, а второго затвора транзисторов серий КП306, КП350 — со стоком обеспечивают через разъем перемычками между соответствующими гнездами. Внешний вид готового прибора показан на рис. 8.


Рис. 8

Перед первым включением прибора необходимо проверить значения выходных напряжений стабилизатора. Налаживание прибора заключается в настройке ограничителя тока и установке образцовых напряжений миллиамперметра и вольтметра. Для настройки ограничителя надо подключить образцовый миллиамперметр между контактами «С» и «И» разъема для подключения измеряемого транзистора, нажать на кнопку «Измерение» и подобрать резистор R1, добиваясь показаний 25. 30 мА. Можно заранее подобрать транзистор по параметру ограничения тока, тогда резистор R1 заменяют перемычкой. Далее образцовый миллиамперметр последовательно с переменным резистором подсоединяют к этим же контактам, устанавливают ток 10 мА и резистором настройки образцового напряжения добиваются тех же показаний миллиамперметра прибора. Для настройки вольтметра образцовый вольтметр подключают к выводам «3» и «И», резистором прибора устанавливают напряжение затвора 10 В и резистором регулировки вольтметра прибора устанавливают те же показания.

Ввиду того что полевые транзисторы могут выйти из строя из-за статического электричества, может быть рекомендована следующая методика работы с прибором. Перед подключением все выводы полевого транзистора следует замкнуть проволочной перемычкой между собой. На приборе устанавливают тип проводимости канала (п- или р-канал), кнопка «Измерение» отжата. Полевой транзистор подключают к своему гнезду, перемычку с выводов снимают, нажимают на кнопку «Измерение» и контролируют его параметры. После измерения отжать кнопку, замкнуть выводы транзистора между собой и вынуть транзистор из панельки.

С помощью прибора легко диагностировать любой вид неисправности полевых транзисторов. Как показала практика, большинство неисправностей транзисторов сводится к большому току утечки затвора, пробою или обрыву канала либо внутреннему разрыву одного из выводов. Если при нажатии на кнопку «Измерение» напряжение на затворе уменьшится по сравнению с установленным, то имеет место утечка тока с затвора. Показания миллиамперметра не будут нулевыми при любом напряжении на затворе. Во всех других случаях невозможность измерить начальный ток стока и напряжение отсечки говорит о неисправности измеряемого полупроводникового прибора.

1.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1983.
2.Садченков Д. А. Современные цифровые мультиметры. — М.: СОЛОН-Р, 2001.
Автор: В. Андрюшкевич, г. Тула

Источник

Читайте также:  Протокол измерения технических характеристик