2022年2022年晶体管开关时间的测量 .pdf

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1、晶体管开关时间的测量晶体管开关时间是标志晶体管开关特性的一个极其重要的参数。当晶体管作为开关应用时，其开关时间将直接影响电路的工作频率和整机性能。本实验通过测量双极性晶体管的开关时间，熟悉开关时间的测试原理， 掌握开关时间的测试方法、研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。一、实验原理图 1 是典型的 NPN 晶体管开关电路，图中LR和BR分别为负载电阻和基极偏置电阻、 -BBV和+CCV分别为基极和集电极的偏置电压。如果给晶体管基极输入一脉冲信号bV，基极和集电极电流bi和ci的波形、如图 2 所示。图 1 晶体管开关电路示意图图 2 开关晶体管输入.输出波形当基极无信号输入时，由于负偏压B

2、BV的作用，使晶体管处于截止状态，集电极只有很小的反向漏电流即CEOI通过，输出电压接近于电源电压+CCV。此时晶体管相当于一个断开开关。0 ) (tVbt 2BI1BI)(tibt 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 1cI0 t )(tic19. 0cI11. 0cI+CCVoVtVBRLRBBV名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 当给晶体管输入正脉冲BV时，晶体管导通。若晶体管处于饱和状态，则输出电压为饱和

3、电压CESV，集电极电流为饱和电流CSI。此时，晶体管相当一个接通的开关。由图 2 可以看出：当输入脉冲BV加入时，基极输入电流立刻增加到1BI、但集电极电流要经过一段延迟时间才增加到CSI，当输入脉冲去除时，基极电流立刻变到反向基极电流2BI，而集电极电流也经过一段延迟时间才逐渐下降。在实际测量中，如果使用双踪示波器， 观察的是输入电压和输出电压的波形，如图 3 所示。晶体管开关时间参数一般是按照集电极电流Ci的变化来定义：延迟时间dt：从脉冲信号加入到Ci上升到 0.1CSI。上升时间rt：Ci从 0.1CSI上升到 0.9CSI存储时间st：从脉冲信号去除到Ci下降到 0.9CSI下降时

4、间ft：Ci从 0.9CSI下降到 0.1CSI其中dt+rt即开启时间ont、st+ft即关闭时间offt，本实验所要测量的开关时间就是根据这个定义的开关时间，按这种定义方法测量开关时间比较方便。当晶体管作为开关应用时，可以把晶体管看作是一个“电荷控制”器件，根据少数载流子连续性方程可以推导出电荷控制分析的基本方程nbbtbQiddQ（1）试中bQ是存储在基区中电子的总电荷，n是基区中电荷寿命。根据延迟时间的定义， 在延迟时间内， 发射结偏压将由 -BBV上升到微导通电压JOV（约 0.5V） ，集电结反向偏压由（CCV+BBV）减小到（CCV-JOV） ，这个过0 t )(tVtBVCES

5、VCCVt ) (0tV0 图 3 开关晶体管输入、输出电压波形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 程是基极电流1BI对发射结和集电结势垒电容充电的过程。与此同时，基区将逐渐形成少子的浓度梯度。根据电荷控制分析的基本方程（1）可以写出与延迟时间对应的电荷微分方程，经过变换、数学处理，最终可得到延迟时间)1.0ln()7.1()1()0()1()0(11111111)1()1()1()1(CSBDCBDCTClrDCn

6、ncBTODEnncBTEDEdIIICRDCJOCCDCBBCCnICVDEJODEBBnICVtVVVVVVVVVVCCee(2) 试中DEV、DCV分别为发射结和集电结的接触电势差，cn、en对于突变结和线性缓变结分别为 1/2 和 1/3。在上升时间rt，基极驱动电流继续对发射结和集电结势垒电容充电，使发射结偏压由JOV上升到导通电压FV（约 0.7V） ，集电结反向偏差逐渐减小，使少子浓度梯度不断增加。 此外，基极电流还要补充基区因复合而减少的电荷。与求延迟时间的方法类似，先写出与上升时间对应的电荷方程，进而可求得上升时间)9.01.0ln()7 .11(11CSBDCCSBDCTC

7、LrDCrIIIICRt（3）存贮时间主要是基区、 集电区超量存贮电荷消失， 发射结、 集电结电容放电的过程。由对应的电荷微分方程推导的存贮时间为)9.0ln()7.11()ln(22221CSBDCCSBDCTCLTDCCSBDCBDCBDCssIIIICRIIIIt（4）试中s为存贮时间常数 ,对于CWPCL的外延平面管sPC，对于CW PCL的外延平面管sCW2/2pcL， 这里PC和pcL分别为集电区的少子寿命和扩展长度。)1 .09 .0ln()7.11(22CSBDCCSBDCTCLrDCfIIIICRt（5）以上开关时间参数公式的详细推导见参考资料1。由开关时间参数的表达式可以清

8、楚地看到：开关时间既决定于TEC、TCC、Tf、DC等晶体管本身的参数，也取决于1BI、2BI及CSI等外部电路参数。势垒电容的充放电、 电荷的存贮和消失是影响开关时间的内因，而外电路对晶体管的注入和抽取是影响开关时间的外因。因此，除晶体管的材料、 结构和工艺参数以外，测试或使用条件将对开关时间带来显著的影响。本实验除了测量晶体管在一名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 定测试条件下的开关时间， 还要改变测试条件， 测

9、出开关时间的变化， 和理论分析结果进行比较。测量双极型晶体管开关时间的实验装置如图4 所示。由于受输入脉冲前后沿的影响以及示波器频宽的限制，此装置只适用于测量开关时间较长的晶体管。一般开关晶体管的开关时间都在毫微秒数量级。 为了满足这一高速测试的要求， 晶体管、集成电路动态参数测试仪 BJ2961 采用了先进的数字化取样技术。 全机由“测试盒电路”、 “毫微秒脉冲单元” 、“取样单元”、 “摸数转换” 及供电系统组成。 可根据不同开关时间的部颁标准选用 “测试盒电路” 。图 5 即测试仪方框图。图中毫微秒脉冲源的作用是提供被测晶体管的基极电流1BI和2BI，它采用脉冲头的输出方式直接与测试盒连

10、接，这样不仅减少了脉冲波形的畸变而且提高了测试精度。脉冲源还将输出一个触发脉冲。在脉冲的触发下， “取样单元”与通过取样示波器一样，将通过 A、B 两个取样探头分别在测试盒中拾取脉冲源及被测器件的输出脉冲信号，并显示在示波器的屏幕上。同时，“取样单元”还将输出阶梯波信号、步进脉冲、门信号及A、B 取样后通过输出信号等送至 “摸数转换” 单元进行数字处理， 最后将各开关时间参数分别用数字显示出来。二、实验内容1、用图 4 所示的实验装置在示波器上观察晶体管输入与输出波形，读出各开关时间参数。2、测量高频管（如 3DG12）和低频管或具有不同电流增益的晶体管的开关时间，研究晶体管本身的参数对开关时

11、间的影响。3、改变外电路参数1BI、2BI和3CI，测量晶体管的开关时间，研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。4、用 BJ2961型晶体管、集成电路动态参数测试仪测量开关管的开关时间。如果被测管为 3DK4，其测试条件：BI=10MA、CI=100MA，测试结果和高频管名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 进行比较。三、实验步骤1、用图 4 所示的实验装置测量晶体管开关时间。（1） 将测试仪器按图 4 所示的实验装

12、置连接，校准个仪器。（2） 给被测管加上脉冲信号， 观察输入、 输出波形， 读出晶体管四个开关时间参数及开启和关断时间。（3） 改变被测管和测试条件重复上面的测量。2、用 BJ2961型晶体管、集成电路动态参数测试仪进行测量。（1） 将测试仪按图 5 连接，其中测试盒是根据测试条件选取的。（2） 根据所测晶体管的极性、 测试条件和开关时间的大致范围， 把 “极性” 、“电流量程”、 “扫速量程”放在适当的位置。（3） 将“触发-自激”旋钮逆时针转到底，对于NPN 晶体管， “触发极性”应放置在“ +” ，参数选取琴键放置在st、ft或offt中任一挡。（4） 开机预热后调节示波器，使示波器上出

13、现两条扫描线。（5） 将被测晶体管插入测试盒。（6） 将 “电流指示”放置BI， 调节BI。再将“电流指示”放置CI，调节CI，使满足测试条件。（7） 调节“脉冲延时”和“延时”电位器，此时仪器应出现被测管注入脉冲（信号源输出脉冲） 和被测管输出脉冲波形。 如示波器扫描量程不适合，可调整“扫描量程” 使此波形在示波器两条扫线四个调辉点之间，如图 6(a)、(b)所示。图中 (a)表示 NPN 管测量st、ft、offt波形及PNP晶体管测dt、rt、ont波形。图 6(b)表示 NPN 管测量dt、rt、ont波形及 PNP 管测量st、ft、offt波形。（8） 按动琴键开关，可分别测量各开

14、关时间参数。（9） 将“测量区域”放置“开”的位置时，示波器上既对测量区域加亮。（10）数字部分采样时，“采样”指示灯亮，旋动“显示时间”旋钮即改变数字部分采样时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 四、数据处理和分析本实验测量双极型晶体管的开关时间并测试条件变化对开关时间的影响。需要记录以下实验结果：1、在双踪示波器上观察到的输入脉冲电压和输出电压波形。2、在一定测试条件下，高频管和开关管的延迟时间dt、上升时间

15、rt、开启时间ont及存贮时间st、下降时间ft、关闭时间offt。3、改变测试条件后，对各开关时间参数的测试结果进行分析。五、思考题1、测试条件变化对晶体管开关时间参数带来什么影响？为什么？如何改变测试条件？2、根据测试结果，比较晶体管各开关时间参数的大小，说明影响晶体管开关时间的主要因素，指出提高晶体管开关速度的主要途径。3、比较一般高频管（ 3DG12）和开关管（ 3DK4 ）的开关时间，说明晶体管开关时间和频率特性的关系。六、参考资料1 浙江大学半导体教研室， 晶体管原理，国防工业出版社， p.239,1980. 2 顾德红，脉冲与数字电路，人民教育出版社，p.120,1979. 3 张瑞华，电子线路分析基础，水利电力出版社，p.708,1983. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -