255393$annizj$电子测量仪器教案 第7章_电子测量仪器教案

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课题 第7章 电子元器件参数测量仪器

§7.1 电子器件特性及参数测量仪

（一）教学目标

知识与能力：

掌握电子器件参数测量仪器的分类

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

掌握电子器件参数测量仪器的分类

教学难点

掌握电子器件参数测量仪器的分类

新授课

7.1.1 电子器件参数测量仪器的分类 1．半导体分立器件测量仪器

半导体分立器件：二极管、双极型晶体管、场效晶体管、闸流晶体管（简称晶闸管）及光电子器件等种类。

半导体分立器件测量仪器分类（根据所测参数的类型）（1）直流参数测量仪器

主要测试半导体分立器件的反向截止电流、反向击穿电压、正向电压、饱和电压和直流放大倍数等直流参数。（2）交流参数测量仪器

主要测试半导体分立器件的频率参数、开关参数、极间电容、噪声系数及交流网络参数等交流参数。（3）极限参数测量仪器

主要测试半导体分立器件能安全使用的最大范围，如大功率晶体管在直流和脉冲状态下的安全工作区。

（4）晶体管特性图示仪（应用最广泛）

可显示器件的特性曲线，还可以测量不少主要直流参数和部分交流参数。2．数字集成电路测试仪器

（1）数字集成电路：有TTL和CMOS集成电路等。（2）测试的内容：有直流测试、交流测试和功能测试。

直流测试：输出高电平、输出低电平、输出高电平电流、输出低电平电流、电源功耗电流等。

交流测试：延迟时间、最高时钟频率等。

功能测试：检查数字集成电路各项逻辑功能是否正常。（3）测量方法

通用仪器：适于中、小规模集成电路的某些基本参数和功能。

图形功能测试法：适于对大规模、超大规模集成电路的测试，检查其功能。它利用图形发生器生成各种测试图形和期望响应的图形在图形比较器中进行比较，最终判定被测集成电路的功能是否正常而给出结果。3．模拟集成电路测试仪

组成：运算放大器、稳压器、比较器及专用模拟集成电路等。

模拟集成电路的测试：直流测试和交流测试。

直流测试的项目：输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流、输入阻抗、共模信号抑制比、输出短路电流、开环电压增益、最大输出电压及电源功耗电流等； 交流测试项目：开环带宽和转换速率等。

练习

习题

小结

电子器件参数测量仪器的分类：半导体分立器件测量仪器、数字集成电路测试仪器（直流参数、交流参数、极限参数、晶体管特性图示仪）模拟集成电路测试仪

布置作业

习题

课题 §7.1 电子器件特性及参数测量仪

（二）教学目标

知识与能力：

晶体管特性图示仪定义、特点、曲线的测绘（点测法和图示法）

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

晶体管特性图示仪定义、特点、曲线的测绘（点测法和图示法）

教学难点

晶体管特性图示仪定义、特点、曲线的测绘（点测法和图示法）

新授课

7.1.2 晶体管特性图示仪

定义：它是一种专用示波器，在示波管屏幕上可直接观察半导体分立器件的特性曲线，借助屏幕上的标尺刻度，还能直接或间接地测定其相应的参数。

特点：使用面宽、直观性强、用途广泛、读测方便等。1．晶体管特性曲线的测绘

定义：有关电极的电压-电流之间的关系曲线。例如：晶体管的共发射极输出特性曲线如图所示。

测绘晶体管特性曲线方法：点测法（静态法）和图示法（动态法）。（1）点测法

仍以晶体管输出特性曲线为例，测试电路如图所示。

① 调节UBB，固定一IB值。

② 调节UCC使UCE从零变到某一固定值，测出一组UCE与IC的数据，描绘出一条IB为某一固定值的IC=f（UCE）的曲线。③ 再调节UBB改变一个IB值。

④ 重复上述过程，可得另一条曲线；„„。⑤ 最终完成被测晶体管的输出特性曲线。

特点：操作繁琐，不能反映晶体管动态工作时的输出特性，特别是在测量晶体管极限参数（例如ICM和BUCEO等）时，容易损坏晶体管。（2）图示法

① 用50 Hz交流电的全波整流电压作为集电极扫描电压代替Vcc。

② 阶梯波电压每上升一级，相当于改变一次参数IB。只要集电极扫描电压UCE和阶梯基极电流的变化的时间关系如图（a）所示，就获得了UCE与IB的同步变化。③ 全波整流电压和阶梯波电压同步，每一级阶梯波对应一条曲线。

特点：这种方法直观，操作简便，实现了动态测量。由于集电极扫描电压是随时间连续变化的脉动电压，其最大值仅是瞬间作用于被测晶体管，被测晶体管不易受损坏，因而较为安全可靠

练习

习题

小结

晶体管特性图示仪：它是一种专用示波器，在示波管屏幕上可直接观察半导体分立器件的特性曲线，借助屏幕上的标尺刻度，还能直接或间接地测定其相应的参数。

布置作业

习题

课题 §7.1 电子器件特性及参数测量仪

（三）教学目标

知识与能力：

晶体管特性图示仪的基本组成过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

晶体管特性图示仪的基本组成教学难点

晶体管特性图示仪的基本组成新授课

2.晶体管特性图示仪的基本组成晶体管特性图示仪的基本组成如图所示。

组成：基极阶梯波信号源、集电极扫描电压发生器、工作于X-Y方式的示波器、测试转换开关及一些附属电路。

（1）基极阶梯信号源

作用：用以产生阶梯电流或阶梯电压。测试时，阶梯信号源为被测晶体管提供偏置。内设有调零电位器，可提供不同极性、不同大小的阶梯信号，级数可调。（2）集电极扫描电压发生器

作用：供给所需的集电极扫描电压。

扫描电压采用工频电压经全波整流而得到的100 Hz的单向脉动电压。通常基极阶梯信号也是由50Hz的工频获得，故两者之间能同步工作。

扫描电压的极性和大小均可以变换。

RC（集电极电路内有功耗限制电阻，阻值可根据需要改变）作用：用于限制被测晶体管的最大工作电流，从而限制其功耗，防止器件受损。

RF（电路中的采样电阻）作用：将要测量的电流IC转换为电压。（3）示波器

包括：X放大器、Y放大器及示波管。作用：显示晶体管特性曲线。（4）开关用附属电路

作用：准确测试晶体管特性曲线及适应测试不同的晶体管的需要。① 极性开关

基极阶梯信号源和集电极扫描电压正、负极性选择开关。② X轴、Y轴选择开关

作用：把不同信号接至X放大器或Y放大器。通过不同的组合，显示不同的晶体管特性曲线。

③ 零电压、零电流开关

作用：可使基极接地或基极开路，便于对某些晶体管参数的测试。④ 灵敏度校准电压

作用：可提供校准电压，用于对刻度进行校正。

练习

习题

小结

晶体管特性图示仪的基本组成：基极阶梯波信号源、集电极扫描电压发生器、工作于X-Y方式的示波器、测试转换开关及一些附属电路。

布置作业

习题

课题 §7.1 电子器件特性及参数测量仪

（四）教学目标

知识与能力：

晶体管特性图示仪测量原理

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

晶体管特性图示仪测量原理

教学难点

晶体管特性图示仪测量原理

新授课

3．晶体管特性图示仪测量原理

（1）二极管特性曲线及测试原理框图如图所示。

测试正向特性加正极性扫描电压，测试反向特性时加负极性扫描电压。不必使用阶梯信号。将集电极电压接至X轴，RF上的采样电压接至Y轴，即可显示相应的特性曲线。（2）晶体管输出特性曲线IC = f（UCE）及测试原理框图如图所示。根据定义，可在输出特性曲线上求出β值。

（3）晶体管输入特性曲线IB = f（UBE）及测试原理框图如图所示。

a．被测管的集电极接全波整流扫描电压。b．用阶梯信号提供基极电流。

c．采样电阻RB两端得到的电压（正比于IB）加至示波器的Y轴。d．UBE加至示波器的X轴。

显示如图（b）所示输入特性曲线。

注意：此时IB和UBE均为阶梯波，但IB每级高度基本相同，而UBE由于输入特性的非线性而每级高度不同。集电极扫描电压的变化反映在荧光屏上为亮点在各级水平方向的往返移动。

练习

习题

小结

转移特性曲线作用：测量场效晶体管的夹断电压UP、饱和漏电流IDSS与跨导gm。

布置作业

习题

课题 §7.1 电子器件特性及参数测量仪

（五）教学目标

知识与能力：

晶体管特性图示仪测量原理

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

晶体管特性图示仪测量原理

教学难点

晶体管特性图示仪测量原理

新授课

（4）场效晶体管漏极特性曲线ID= f（UDS）及测试原理框图如图所示。

类同于晶体三极管IC = f（UCE）曲线的测试，C、B、E对应D、G、S。阶梯信号：用阶梯电压。

阶梯信号和扫描信号的极性：根据被测场效晶体管类型决定。① 耗尽型场效晶体管（包括结型场效晶体管）

N沟道用负阶梯，正扫描；P沟道用正阶梯，负扫描。② 增强型场效晶体管

N沟道用正阶梯，正扫描；P沟道用负阶梯，负扫描。选择合适的功耗电阻，即可显示其漏极特性曲线。

（5）场效晶体管转移特性曲线ID=f（UGS）及测试原理框图如图所示。

转移特性曲线作用：测量场效晶体管的夹断电压UP、饱和漏电流IDSS与跨导gm。转移特性曲线测绘：栅极加阶梯电压，漏极加扫描电压，UGS加至示波器的X轴，采样电阻RF上的电压（正比于漏极电流ID）加至示波器的Y轴，显示出如图（b）所示的上端有亮点的竖线，由亮点连接起来的曲线即是。

夹断电压UP：转移特性曲线与X轴的交点所对应的UGS。跨导gm：转移特性曲线的斜率。

漏极饱和电流IDSS：转移特性曲线与Y轴交点所对应的ID。

练习

习题

小结

转移特性曲线作用：测量场效晶体管的夹断电压UP、饱和漏电流IDSS与跨导gm。

布置作业

习题

课题 §7.2 集总参数元件测量仪器

（一）教学目标

知识与能力：

了解集总参数元件基本知识。

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

了解集总参数元件基本知识。

教学难点

了解集总参数元件基本知识。

新授课

7.2 集总参数元件测量仪器

7.2.1 集总参数元件简介

集总参数元件：电阻器、电容器和电感器。1．电阻器

理想的电阻器：不含电抗分量，流过它的电流与其两端的电压同相。实际电阻器：存在一定的寄生电感和分布电容，其等效电路如图所示。

在低频工作状态下（包括直流工作时），LR和CR的影响由于其感抗很小、容抗很大而可以忽略不计，但在高频工作状态下必须考虑其影响。

2．电容器

实际电容器：存在引线电感和损耗电阻（包括漏电阻及介质损耗等）。

在频率不太高的情况下，引线电感的影响由于其感抗很小而可忽略不计。故实际电容器的等效电路如图所示。

图中，RCS：电容器的等效串联损耗电阻，RCP：电容器的等效并联损耗电阻。电容器的损耗大小通常用损耗因数D（或损耗角的正切值tanδ）表示。

空气电容器的损耗因数较小，为D＜10-3；一般介质电容器的损耗因数为10-4≤D≤10-2；电解电容器的损耗因数较大，为10-2≤D≤2×10-1。

练习

习题

小结

集总参数元件：电阻器、电容器和电感器。

布置作业

习题

课题 §7.2 集总参数元件测量仪器

（二）教学目标

知识与能力：

掌握电感器、万用电桥

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

掌握电感器、万用电桥

教学难点

掌握电感器、万用电桥

新授课

3．电感器

实际电感器：除电感量外，同样存在损耗电阻，还存在分布电容。

在频率不太高的情况下，分布电容的影响可以忽略不计。故实际电感器的等效电路如图所示。

图中RLS为电感器的等效串联损耗电阻，RLP为电感器的等效并联损耗电阻。电感器的损耗大小通常用品质因数Q表示。

对于图（a）

XLQL

RLSRLS对于图（b）

QRLPRLP XLL式中XL——电感器的感抗。

电感器的Q值越大，说明损耗越小，反之，则损耗越大。

空心线圈及带高频磁芯的线圈（电感器）的Q值较高，一般为几十至一、二百，带铁心的线圈（电感器）的Q值较低，一般在十以内。7.2.2 万用电桥

电桥法：一种比较测量法，它把被测量与同类性质的已知标准量相比较，从而确定被测量的大小。

电桥法测量适用：工作在低频状态的集总参数元件。电桥：利用电桥法原理制成的测量仪器。

万用电桥（或万能电桥）：同时具备测量电阻器、电容器和电感器功能。电桥电路组成：主要包括电桥电路、信号源和指零电路三部分。

练习

习题

小结

电桥法：一种比较测量法，它把被测量与同类性质的已知标准量相比较，从而确定被测量的大小。电桥法测量适用：工作在低频状态的集总参数元件。万用电桥（或万能电桥）：同时具备测量电阻器、电容器和电感器功能。

布置作业

习题

课题 §7.2 集总参数元件测量仪器

（三）教学目标

知识与能力：

掌握万用电桥的平衡

过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

掌握万用电桥的平衡

教学难点

掌握万用电桥的平衡

新授课

1．电桥的平衡条件

下图所示为常见的四臂电桥基本电路。其中四个阻抗元件Z1～Z4称为桥臂，us为信号源；P为指零仪

电桥的平衡条件： 振幅平衡条件：

Z1Z3Z2Z4

相位平衡条件：

1234

实际电桥电路：在一个桥臂同时接入两个可调标准元件，多采用R和C，另外两个桥臂则接入固定的标准元件。

结论：若相邻两桥臂为纯电阻，则另外两个桥臂元件应为同性阻抗；若相对两桥臂为纯电阻，则另外两个桥臂元件，应为异性阻抗。在测量电容器时使可调元件与被测元件作为相邻桥臂接入。而在测量电感器时则使可调元件与被测元件作为相对桥臂接入。例7.1 试推导“海式电桥”的平衡条件 解：电桥平衡方式为

111RxjLx(Rs1)R2R4 jCsRs111R2R4()jCsRxjLx根据复数相等条件，上式两边的实部和虚部分别相等

Lx = R2R4Cs

RR由QLPLP得

XLLQR1xxL

xRsCs练习

习题

小结

电桥的平衡条件 振幅平衡条件：

相位平衡条件：

布置作业

习题

Z1Z3Z2Z4

1234 课题 §7.2 集总参数元件测量仪器

（四）教学目标

知识与能力： 1．理解万用电桥原理

2．牢记麦克斯韦-文氏电桥（交流电桥）的平衡条件和海氏电桥（交流电桥）的平衡条件。过程与方法：

通过观察和讲解，情感、态度与价值观：

培养学生的严谨的科学态度

教学重点

理解万用电桥原理

教学难点

理解万用电桥原理

新授课

2.万用电桥的原理

功能测量电阻器、电容器和电感器。

（1）测量电阻：多采用惠斯登电桥，电桥组成如图所示。

电桥的平衡条件为

RRRx24

R3式中R2、R4为固定电阻，R3为可调标准电阻。

这里四个桥臂元件均为纯电阻，故测量信号源us可以采用直流 电源，指零仪可用检流计，组成的电桥称为直流电桥。

（2）测量电容：采用串联电容比较电桥或并联电容比较电桥。电桥组成如图所示。

串联电容比较电桥的平衡条件为

CxRxR2Cs R1R1Rs R2Dx11

RxCxRsCs串联电容比较电桥：适用于测量损耗小的电容。并联电容比较电桥：适用于测量损耗大的电容。

信号源us必须是交流电源，要求信号源波形的谐波失真必须尽量小，实际多采用音频电源。

3）测量电感：采用麦克斯韦-文氏电桥或海氏电桥。电桥组成如图所示。

麦克斯韦-文氏电桥（交流电桥）的平衡条件为

Lx = R1R3Cs

RRRx13

RsQxLxRxRsCs

适用：测量Q值较低的电感。

海氏电桥（交流电桥）的平衡条件为

LxR2R4Cs RxQxR2R4 RsRx1 LxRsCs适用：测量Q值较高的电感。

练习

习题

小结

理解万用电桥原理

布置作业

习题

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