第4章電子元器件與集成電路測量(電子測量技術(shù)課件)

第4章電子元器件與集成電路測量4.1電阻、電感和電容的測量4.2半導(dǎo)體二極管、三極管與場效應(yīng)管的測量4.3集成電路的測試思考題4第4章電子元器件與集成電路測量4.1電阻、電感和電容的14.1電阻、電感和電容的測量 4.1.1阻抗的概念 如圖4.1所示，一個二端元件或一個無源網(wǎng)絡(luò)的一對輸入端施加一激勵電壓信號（直流或交流），將產(chǎn)生一個電流，這時我們將電壓與電流之比稱為阻抗。4.1電阻、電感和電容的測量 4.1.1阻抗的概念2圖4.1阻抗的示意圖圖4.1阻抗的示意圖3 圖4.2所示的是三種基本元件電阻、電感、電容的理想模型。實際的元件是復(fù)雜的，每一種元器件在高頻工作時都會在不同程度上顯示所有三種特性。如圖4.3所示即為電阻、電感、電容的實際等效電路。 圖4.2所示的是三種基本元件電阻、電感、電容的理想模型。4圖4.2理想的電阻、電感、電容圖4.2理想的電阻、電感、電容5圖4.3電阻、電感、電容的實際等效電路圖4.3電阻、電感、電容的實際等效電路6 為了討論問題方便，通常將阻抗元件等效為一個理想電阻與一個理想電感或理想電容相串聯(lián)的形式，如圖4.4所示。 為了討論問題方便，通常將阻抗元件等效為一個理想電阻與一個7圖4.4感抗與容抗元件的等效（a）電阻與電感串聯(lián)；（b）電阻與電容串聯(lián)圖4.4感抗與容抗元件的等效8 同時定義： （4-1） Q用于表征元件存儲與消耗能量之比，常稱為品質(zhì)因數(shù)。對于電感有 對于電容有 同時定義：9 4.1.2電阻的特性與測量 1.電阻的參數(shù)和種類 如圖4.5（a）所示電阻為碳膜電阻，阻值為100Ω，精度為1%。圖4.5（b）所示為電阻額定功率的直接標(biāo)示法。 4.1.2電阻的特性與測量10圖4.5電阻的標(biāo)注圖4.5電阻的標(biāo)注11 各種顏色代表的量值如表4.1所示。 各種顏色代表的量值如表4.1所示。12表4.1色碼電阻色環(huán)對應(yīng)數(shù)值表4.1色碼電阻色環(huán)對應(yīng)數(shù)值13 2.電阻的測量 圖4.6示出了兩種利用電流表和電壓表測量電阻的方法。 2.電阻的測量14圖4.6電阻測量的基本電路圖4.6電阻測量的基本電路15 當(dāng)對電阻的測量精度要求很高時，可用直流電橋進(jìn)行測量。一種叫惠斯登電橋的測量方法原理如圖4.7所示,圖中R1、R2是固定電阻，R1/R2=K，RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Rx為被測電阻，G為檢流計。 當(dāng)對電阻的測量精度要求很高時，可用直流電橋進(jìn)行測量。一種16圖4.7惠斯登電橋測電阻圖4.7惠斯登電橋測電阻17 測量時，通過調(diào)節(jié)RN，使電橋平衡，即檢流計指示為零。此時有 也即 R2RN=R1Rx 所以有 測量時，通過調(diào)節(jié)RN，使電橋平衡，即檢流計指示為零。此18 4.1.3電感的特性與測量 1.電感的種類與參數(shù) 電感的主要參數(shù)有三個，即電感量、品質(zhì)因數(shù)和分布電容。 (1)電感量。 (2)品質(zhì)因數(shù)。電感的等效電路如圖4.3所示。電感損耗電阻為R，在一定頻率的交流電壓下工作時，電感所呈現(xiàn)的感抗與損耗電阻R之比，稱為電感的品質(zhì)因數(shù)，即

(3)分布電容。 4.1.3電感的特性與測量19 2.電感的測量 1)利用通用儀器測量 其方法是在交流電壓工作條件下，利用電壓表和電流表測出加于電感兩端的電壓U和流過電感的電流I，則有ωL=U/I，如圖4.8所示。 2.電感的測量20圖4.8用通用儀器測電感示意圖圖4.8用通用儀器測電感示意圖21 由復(fù)數(shù)的歐姆定律可知 所以 由復(fù)數(shù)的歐姆定律可知22 2)交流電橋法測量 在低頻情況下，若電感的損耗不可忽略，可以用交流電橋進(jìn)行測量。測量電路如圖4.9所示。 2)交流電橋法測量23圖4.9交流電橋法測電感圖4.9交流電橋法測電感24 根據(jù)平衡方程有 式中 ZL=Rx+jωLx 進(jìn)一步推算可得 根據(jù)平衡方程有25 3)用諧振電路測量 測量電路如圖4.10所示。 3)用諧振電路測量26圖4.10諧振法測電感圖4.10諧振法測電感27 測量時，首先調(diào)節(jié)信號源的頻率，使電壓表的讀數(shù)為最大值，記下此時頻率為f1，這時有 由于式中C0還未可知，需進(jìn)行第二次測量，此時不接入電容C，對應(yīng)的諧振頻率為f2，因此有 測量時，首先調(diào)節(jié)信號源的頻率，使電壓表的讀數(shù)為最大值，記28 所以有 4)用Q表測量 Q表可以用來準(zhǔn)確測量電感線圈的Q值與電感量。其基本電路如圖4.11所示。 所以有29圖4.11用Q表測電感圖4.11用Q表測電感30 圖中e（t）是頻率可變振蕩信號源，CT是調(diào)諧電容，容量為C，當(dāng)電感線圈接入測量電路后，調(diào)節(jié)信號源的頻率在電感線圈的工作頻率附近，改變CT，使UC為最大，此時電路處于諧振狀態(tài)，ω0L=1/(ω0C)，有 同時UC=Qe（e為e（t）的有效值），則 圖中e（t）是頻率可變振蕩信號源，CT是調(diào)諧電容，31 因而 5)用電子儀表測量 常用的LCR測試儀器測量電感則采用了電感—電壓轉(zhuǎn)換法，如圖4.12所示。 因而32圖4.12電感—電壓轉(zhuǎn)換法測量電感圖4.12電感—電壓轉(zhuǎn)換法測量電感33 圖中Us、R1為固定量，運算放大器輸出為Uo，在復(fù)數(shù)領(lǐng)域 后續(xù)虛部、實部分離電路可以從Uo中分離出實部Ur和虛部Ux，則 圖中Us、R1為固定量，運算放大器輸出為Uo，在復(fù)數(shù)領(lǐng)域34 4.1.4電容的特性與測量 1.電容的參數(shù)、種類與標(biāo)識方法 1）電容的參數(shù) 電容的主要參數(shù)為電容量和額定工作電壓。電容量表示在單位電壓上電容器上能存儲多少電荷。 2)電容的種類 電容器的種類很多。根據(jù)制作材料來分，有鋁質(zhì)電容、鉭電容、云電容、獨石電容、滌綸電容、瓷片電容等等。根據(jù)工作電壓來分，有低壓電容和高壓電容。根據(jù)工作頻率來分，有低頻電容和高頻電容。還有固定電容、可變電容、穿心電容等等，可根據(jù)工作條件與要求加以選用。 4.1.4電容的特性與測量35 3)標(biāo)注方法 和電阻的標(biāo)注方法相類似，電容的標(biāo)注方法有直標(biāo)法和色標(biāo)法。 2.電容的測量 1)用諧振法測量 測量電路如圖4.13所示，圖中Us為激勵信號源，L為標(biāo)準(zhǔn)電感，Cs為確定的電感分布電容，R為信號源內(nèi)阻，Cx為被測電容。 3)標(biāo)注方法36圖4.13諧振法測電容圖4.13諧振法測電容37 測量時可反復(fù)調(diào)節(jié)信號源頻率，使電壓表讀數(shù)最大，這時信號源的頻率為f0，由電路諧振條件可知

即 所以 測量時可反復(fù)調(diào)節(jié)信號源頻率，使電壓表讀數(shù)最大，這時信號源38 2)用Q表測量 Q表常用于對在高頻下工作的電容器進(jìn)行測量。這時被測電容器可等效為一個理想電容與一個較大的電阻相并聯(lián)的模型。實際測量電路如圖4.14所示。 2)用Q表測量39圖4.14用Q表測電容圖4.14用Q表測電容40 接著將被測電容Cx跨接于“外接電容”上，重新調(diào)整調(diào)諧電容,使電路達(dá)到諧振，將新的調(diào)諧電容的值記為C2，新的Q值為Q2。這時有 3)用轉(zhuǎn)化法測量 舉例來說，多諧振蕩器的頻率與振蕩電容有著確定的關(guān)系，如果以被測電容作為振蕩電容，則可以構(gòu)成一個電容—頻率轉(zhuǎn)換電路，如圖4.15所示。 接著將被測電容Cx跨接于“外接電容”上，重新調(diào)整調(diào)諧電容41圖4.15電容—頻率轉(zhuǎn)換電路圖4.15電容—頻率轉(zhuǎn)換電路42 原理類似于圖4.12所示的電感測量電路，如圖4.16所示。 原理類似于圖4.12所示的電感測量電路，如圖4.16所示43圖4.16電容—電壓轉(zhuǎn)換電路圖4.16電容—電壓轉(zhuǎn)換電路44 圖中Cx與Rx為被測電容，R1為已知標(biāo)準(zhǔn)電阻，U（t）為測量用正弦信號源，其有效值為Us，運算放大器的輸出與輸入之間用復(fù)數(shù)表示的電壓傳遞函數(shù)為

輸出電壓的實數(shù)部分與虛數(shù)部分可以被分離并計算出來，分別用Ur與UI表示，則有 圖中Cx與Rx為被測電容，R1為已知標(biāo)準(zhǔn)電阻，U（t）45 所以有 所以有464.2半導(dǎo)體二極管、三極管

與場效應(yīng)管的測量 4.2.1半導(dǎo)體二極管的測量 1.二極管的特性、種類與參數(shù) 決定二極管的作用的主要參數(shù)有以下幾個： (1)最大整流電流IfM。 (2)最大反向工作電壓URM。 (3)反向電流IR。 (4)導(dǎo)通電阻。 (5)極間電容。4.2半導(dǎo)體二極管、三極管

與場效應(yīng)管的測量 4.2.147 2.二極管的測量 1)用模擬式萬用表進(jìn)行測量 通常萬用表的紅表筆置于面板上“+”號端口，黑表筆置于“-”號端口。萬用表在歐姆擋工作，由表內(nèi)電池提供電源，“-”號端對應(yīng)電池正端，“+”號端對應(yīng)電池負(fù)端。內(nèi)部電池這樣設(shè)計，是為了保證在電阻測量時流入萬用表的電流與在電壓或電流測量時相同。 用模擬式萬用表測量二極管的等效電路如圖4.17所示。 2.二極管的測量48圖4.17用VC9801A萬用表測量二極管等效電路圖4.17用VC9801A萬用表測量二極管等效電路49 2)用數(shù)字萬用表來測量 可以設(shè)計一些適應(yīng)性電路與通用儀表相結(jié)合，來解決二極管測量的大多數(shù)問題，如圖4.18所示。 3)用通用儀表與適配電路測量 對于二極管的一些重要屬性，萬用表是測不出來的，而專用測試儀表通常又很貴。因此可以設(shè)計一些適應(yīng)性電路與通用儀表相結(jié)合，來解決二極管測量的大多數(shù)問題，如圖4.18所示。 4)用晶體管圖示儀測量 晶體管特性圖示儀不僅可以測量二極管的大多數(shù)參數(shù)，而且能夠以圖形的形式展示二極管的正向伏安特性曲線。 2)用數(shù)字萬用表來測量50圖4.18用通用儀表測二極管(a)穩(wěn)壓管測試電路；(b)發(fā)光二極管測試電路；(c)變?nèi)荻O管測試電路；(d)示波器觀測開關(guān)二極管圖4.18用通用儀表測二極管51 4.2.2晶體三極管的測量 1.三極管的特征、類型與參數(shù) 在滿足一定的條件時，對小信號輸入電流進(jìn)行線性放大，或者控制大信號（開關(guān)信號）的傳遞，是三極管的基本特征。 三極管有多種類型，從制作材料來分，有鍺三極管和硅三極管；從PN結(jié)構(gòu)來分，有PNP型管和NPN型管；從消耗功率來分，有小功率、中功率和大功率三極管；從工作頻率來分，有低頻三極管、高頻三極管和超高頻三極管；從工作電壓來分，有低反壓三極管和高反壓三極管；從工作特性來分，有普通三極管與開關(guān)三極管等等。 4.2.2晶體三極管的測量52 2.三極管的測量 三極管的集電極與發(fā)射極的區(qū)分方法在確定三極管的基極與類型以后，比如NPN型三極管，可按圖4.19來判定三極管的集電極與發(fā)射極。 2.三極管的測量53圖4.19用萬用表判定三極管c、e極圖4.19用萬用表判定三極管c、e極54 1)用萬用表測量 數(shù)字萬用表一般都有三極管測量擋，如VC9801A型萬用表，在已知基極與管子的類型后，根據(jù)三極管正確連接時直流放大倍數(shù)β較大的特點，可以區(qū)分出發(fā)射極和集電極。 2)用晶體管圖示儀測量 晶體管特性圖示儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般有電子管式、晶體管式和集成電路式三種類型，由基極階梯信號發(fā)生器、集電極掃描電壓發(fā)生器、測試轉(zhuǎn)換與控制電路、顯示處理電路和顯示器組成，如圖4.20所示。

1)用萬用表測量55圖4.20晶體管特性圖示儀基本組成原理圖4.20晶體管特性圖示儀基本組成原理56 圖4.21所示是晶體管圖示儀顯示的小功率三極管9013的c-e極輸出特性曲線。 圖4.21所示是晶體管圖示儀顯示的小功率三極管9013的57圖4.219013的c-e極輸出特性曲線圖4.219013的c-e極輸出特性曲線58 4.2.3場效應(yīng)管的測量 1.用晶體管特性圖示儀來測量 其測量方法大致類同于晶體三極管的測量。用JT-1圖示儀測量場效應(yīng)管3DJ7的過程如下:查手冊知，這是一種N溝道結(jié)型場效應(yīng)管,其管腳排列為S、D、G，分別對應(yīng)于晶體三極管的引腳e、c、b，相當(dāng)于一個NPN小功率三極管。 2.用通用儀表與適配電路測量 圖4.22（a）中的電流表直接指出被測管的IDSS。圖4.22（b）是測量場效應(yīng)管的夾斷電壓的簡易電路。當(dāng)UGG為零時，同圖4.22（a）一致。 4.2.3場效應(yīng)管的測量59圖4.22用電流表和適配電路測量場效應(yīng)管圖4.22用電流表和適配電路測量場效應(yīng)管604.3集成電路的測試 4.3.1中小規(guī)模集成電路的一般測試 1.模擬集成電路的測試 1）線性芯片測試 掌握了對運算放大器的特性的測量原理與方法，也即掌握了對一般線性集成電路的測試方法。理想的運算放大器如圖4.23所示，具有如下特性： ①輸入阻抗Rin=∞；②輸出阻抗Ro=0；③電壓增益Av=∞；④帶寬為∞；⑤當(dāng)Uin--Uin+=0時，Uo=0。4.3集成電路的測試 4.3.1中小規(guī)模集成電路的一般61圖4.23基本的運算放大器電路圖4.23基本的運算放大器電路62 (1)運算放大器開環(huán)輸入阻抗的測量。 運算放大器的輸入阻抗由兩輸入端之間和每個輸入端與地之間的阻抗組成，如圖4.24所示。 (1)運算放大器開環(huán)輸入阻抗的測量。63圖4.24測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗圖4.24測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗64

Rin稱為差分輸入阻抗，Rc稱為共模輸入阻抗。當(dāng)作為反相放大器使用時，同相輸入端接地，RcRin，可以近似認(rèn)為差分輸入阻抗即為其輸入阻抗。 測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗的電路如圖4.25所示。 Rin稱為差分輸入阻抗，Rc稱為共模輸入阻抗。當(dāng)作為反相65圖4.25運算放大器基本測試電路圖4.25運算放大器基本測試電路66 (2)運算放大器開環(huán)增益Av的測量。 Av的測量方法仍采用如圖4.24所示測量運算放大器的輸入阻抗的方法。因為Av=Uo/Ui，且 所以 (2)運算放大器開環(huán)增益Av的測量。67 (3)運算放大器轉(zhuǎn)換速率（Sr）的測量。 運算放大器能夠?qū)⒄倚盘栟D(zhuǎn)化為矩形波，這種大信號工作特性一般用Sr來表征，可以用示波器來測量。具體測量電路如圖4.26所示。 (3)運算放大器轉(zhuǎn)換速率（Sr）的測量。68圖4.26運算放大器轉(zhuǎn)換速率的測量（a）測量運算放大器轉(zhuǎn)換速率電路；（b）圖(a)所示電路的輸入和輸出電壓圖4.26運算放大器轉(zhuǎn)換速率的測量69 2）一般模擬集成芯片的測試 (1)性能指標(biāo)測量。 圖4.27是單片集成鎖相環(huán)CD4046的測試電路。 2）一般模擬集成芯片的測試70圖4.27CD4046性能測試電路圖4.27CD4046性能測試電路71 (2)集成芯片的在線測試。 在調(diào)試和維修工作中，常常對已焊接在電子線路板上的集成芯片是否正常產(chǎn)生疑問。這時采用在線測試的方法，可以解決大多數(shù)問題。在線測試一般有以下幾種方法： ①電阻測量法： ②電壓測量法： ③信號注入法： (2)集成芯片的在線測試。72 在圖4.28所示的電路中，正常時多引腳對地電壓如表4.2所示。 2.數(shù)字集成電路的測試 數(shù)字集成電路處理的都是以0、1為特征的數(shù)字電壓。數(shù)字集成電路的電特性主要是數(shù)字電路的電特性，最主要的有輸入電平、輸出電平、輸入電流、輸出電流、轉(zhuǎn)換時間、延遲時間、功率消耗等等。 在圖4.28所示的電路中，正常時多引腳對地電壓如表4.273圖4.28μPC1353應(yīng)用電路圖4.28μPC1353應(yīng)用電路74表4.2μPC1353各引腳對地電壓測量值引腳1234567891011121314電壓/V4.74.75.85.38.26.15.16.411126.82.50.60.6表4.2μPC1353各引腳對地電壓測量值引腳12345675 4.3.2集成電路測試儀 集成電路測試儀（或測試系統(tǒng)）是用于集成電路設(shè)計、驗證、生產(chǎn)測試的專用儀器（系統(tǒng)），按測試門類可分為數(shù)字集成電路測試儀、存儲器測試儀、模擬與混合信號電路測試儀、在線測試系統(tǒng)和驗證系統(tǒng)等。由于這些測試儀的測試對象、測試方法以及測試內(nèi)容都存在差異，因此各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置和技術(shù)性能差別較大。 4.3.2集成電路測試儀76 4.3.3大規(guī)模數(shù)字集成電路的JTAG測試 目前，中大規(guī)模集成電路的應(yīng)用已十分普遍，由于專用的集成電路測試儀價格昂貴，利用它來解決這些集成電路在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、維修中的測試問題，對于廣大普通用戶來說是不現(xiàn)實的。 IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)支持以下3種測試功能： (1)內(nèi)部測試——IC內(nèi)部的邏輯測試； (2)外部測試——IC間相互連接的測試； (3)取樣測試——IC正常運行時的數(shù)據(jù)取樣測試。 4.3.3大規(guī)模數(shù)字集成電路的JTAG測試77 BSC起著把輸入輸出信號與內(nèi)部邏輯隔離或連通的作用，所有的BSC在IC內(nèi)部構(gòu)成JTAG串聯(lián)回路，如圖4.29所示。 BSC起著把輸入輸出信號與內(nèi)部邏輯隔離或連通的作用，所有78圖4.29可掃描設(shè)計圖4.29可掃描設(shè)計79 增加了BSC和相應(yīng)的控制部分后，一個器件的管腳也要相應(yīng)增加四個或五個，即如下JTAG引腳(如圖4.30所示)： TCK：測試時鐘輸入； TDI：測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG接口； TDO：測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG接口輸出； TMS：測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式； TRST：測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。(為可選引腳，并非每個JTAG接口都需要)。 增加了BSC和相應(yīng)的控制部分后，一個器件的管腳也要相應(yīng)增80圖4.30具有JTAG接口的IC內(nèi)部BSR單元與引腳關(guān)系圖4.30具有JTAG接口的IC內(nèi)部BSR單元與引腳關(guān)系81 圖4.31是一個板級的互連測試示意圖。從圖中我們可以看出，各器件的BSC單元串聯(lián)組成了一個可掃描的網(wǎng)（Net）。這個Net的互連性都能被正確檢測出來。 圖4.31是一個板級的互連測試示意圖。從圖中我們可以看出82圖4.31板級JTAG芯片互連測試圖4.31板級JTAG芯片互連測試83思考題4 1.當(dāng)在一個1μF電容器上加500V直流電壓時，產(chǎn)生了0.8μA電流，電容器的漏電阻是多少？ 2.一個電感器的等效電路為一個40Ω電阻與一個0.05H電感串聯(lián)，當(dāng)線圈在1kHz頻率下工作時，其Q值是多少？ 3.一個電阻元件，其直流阻抗與交流阻抗哪個高？思考題4 1.當(dāng)在一個1μF電容器上加500V直流84 4.一線圈的復(fù)數(shù)阻抗為（4+j6）Ω，問： (1)線圈的品質(zhì)因數(shù)是多少？ (2)如果阻抗是在頻率為5kHz時測定的，那么元件的電感是多少？ 5.一個串聯(lián)諧振電路由電阻、電容和電感組成，證明線路諧振時電感兩端的電壓的振幅是電源電壓振幅的Q倍。 6.在一個二極管兩端施加700V反向電壓，產(chǎn)生3.5μA電流，二極管的反向電阻是多少？ 4.一線圈的復(fù)數(shù)阻抗為（4+j6）Ω，問：85 7.圖4.32中ＶD1是一個5V穩(wěn)壓管，R1為1kΩ，問： (1)二極管ＶD1上的電壓是多少？ (2)當(dāng)電源E改為-10V，二極管ＶD1上的電壓是多少？二極管中的電流是多少？ 7.圖4.32中ＶD1是一個5V穩(wěn)壓管，R1為1k86圖4.32題7圖圖4.32題7圖87 8.用模擬萬用表的歐姆擋檢測三極管，測定結(jié)果如下： (1)RB-E=低，RE-B=低，RB-C=低，RC-B=高，RC-E=高，RE-C=高，晶體管能正常工作嗎？為什么？ (2)RB-E=高，RE-B=低，RB-C=低，RC-B=高，RC-E=高，RE-C=低，晶體管能正常工作嗎？為什么？ 8.用模擬萬用表的歐姆擋檢測三極管，測定結(jié)果如下：88 9.對晶體管放大器進(jìn)行下列測量，Ib=100μA，Ie=5mA，晶體管輸出電壓在負(fù)載時為4V，然后在晶體管的兩端跨接一個2kΩ電阻時，輸出電阻下降到1V。 (1)晶體管的直流放大倍數(shù)β是多少？ (2)測定晶體管放大器的輸出電阻。

9.對晶體管放大器進(jìn)行下列測量，Ib=100μA，89 10.利用晶體管圖示儀對N溝道結(jié)型場效應(yīng)管放大器進(jìn)行下列測量： ①UGS=-5V，ID=0；②UGS=0，ID=7mA；③當(dāng)UGS從-4V變化到-3V時，漏極電流增加10mA。測定下列參數(shù)： （1）夾斷電壓UP； （2）飽和漏極電流IDSS； （3）結(jié)型場效應(yīng)管的跨導(dǎo)。 10.利用晶體管圖示儀對N溝道結(jié)型場效應(yīng)管放大器進(jìn)行下90 11.運算放大器如圖4.33所示， R1=R2=100Ω，Rf=100kΩ，運算放大器的開環(huán)增益Av=1000。 (1)假設(shè)運算放大器是理想的，計算電壓增益Av。 (2)求出實際增益。 11.運算放大器如圖4.33所示，91圖4.33題11圖圖4.33題11圖92 12.什么是JTAG測試？ 12.什么是JTAG測試？93第4章電子元器件與集成電路測量4.1電阻、電感和電容的測量4.2半導(dǎo)體二極管、三極管與場效應(yīng)管的測量4.3集成電路的測試思考題4第4章電子元器件與集成電路測量4.1電阻、電感和電容的944.1電阻、電感和電容的測量 4.1.1阻抗的概念 如圖4.1所示，一個二端元件或一個無源網(wǎng)絡(luò)的一對輸入端施加一激勵電壓信號（直流或交流），將產(chǎn)生一個電流，這時我們將電壓與電流之比稱為阻抗。4.1電阻、電感和電容的測量 4.1.1阻抗的概念95圖4.1阻抗的示意圖圖4.1阻抗的示意圖96 圖4.2所示的是三種基本元件電阻、電感、電容的理想模型。實際的元件是復(fù)雜的，每一種元器件在高頻工作時都會在不同程度上顯示所有三種特性。如圖4.3所示即為電阻、電感、電容的實際等效電路。 圖4.2所示的是三種基本元件電阻、電感、電容的理想模型。97圖4.2理想的電阻、電感、電容圖4.2理想的電阻、電感、電容98圖4.3電阻、電感、電容的實際等效電路圖4.3電阻、電感、電容的實際等效電路99 為了討論問題方便，通常將阻抗元件等效為一個理想電阻與一個理想電感或理想電容相串聯(lián)的形式，如圖4.4所示。 為了討論問題方便，通常將阻抗元件等效為一個理想電阻與一個100圖4.4感抗與容抗元件的等效（a）電阻與電感串聯(lián)；（b）電阻與電容串聯(lián)圖4.4感抗與容抗元件的等效101 同時定義： （4-1） Q用于表征元件存儲與消耗能量之比，常稱為品質(zhì)因數(shù)。對于電感有 對于電容有 同時定義：102 4.1.2電阻的特性與測量 1.電阻的參數(shù)和種類 如圖4.5（a）所示電阻為碳膜電阻，阻值為100Ω，精度為1%。圖4.5（b）所示為電阻額定功率的直接標(biāo)示法。 4.1.2電阻的特性與測量103圖4.5電阻的標(biāo)注圖4.5電阻的標(biāo)注104 各種顏色代表的量值如表4.1所示。 各種顏色代表的量值如表4.1所示。105表4.1色碼電阻色環(huán)對應(yīng)數(shù)值表4.1色碼電阻色環(huán)對應(yīng)數(shù)值106 2.電阻的測量 圖4.6示出了兩種利用電流表和電壓表測量電阻的方法。 2.電阻的測量107圖4.6電阻測量的基本電路圖4.6電阻測量的基本電路108 當(dāng)對電阻的測量精度要求很高時，可用直流電橋進(jìn)行測量。一種叫惠斯登電橋的測量方法原理如圖4.7所示,圖中R1、R2是固定電阻，R1/R2=K，RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Rx為被測電阻，G為檢流計。 當(dāng)對電阻的測量精度要求很高時，可用直流電橋進(jìn)行測量。一種109圖4.7惠斯登電橋測電阻圖4.7惠斯登電橋測電阻110 測量時，通過調(diào)節(jié)RN，使電橋平衡，即檢流計指示為零。此時有 也即 R2RN=R1Rx 所以有 測量時，通過調(diào)節(jié)RN，使電橋平衡，即檢流計指示為零。此111 4.1.3電感的特性與測量 1.電感的種類與參數(shù) 電感的主要參數(shù)有三個，即電感量、品質(zhì)因數(shù)和分布電容。 (1)電感量。 (2)品質(zhì)因數(shù)。電感的等效電路如圖4.3所示。電感損耗電阻為R，在一定頻率的交流電壓下工作時，電感所呈現(xiàn)的感抗與損耗電阻R之比，稱為電感的品質(zhì)因數(shù)，即

(3)分布電容。 4.1.3電感的特性與測量112 2.電感的測量 1)利用通用儀器測量 其方法是在交流電壓工作條件下，利用電壓表和電流表測出加于電感兩端的電壓U和流過電感的電流I，則有ωL=U/I，如圖4.8所示。 2.電感的測量113圖4.8用通用儀器測電感示意圖圖4.8用通用儀器測電感示意圖114 由復(fù)數(shù)的歐姆定律可知 所以 由復(fù)數(shù)的歐姆定律可知115 2)交流電橋法測量 在低頻情況下，若電感的損耗不可忽略，可以用交流電橋進(jìn)行測量。測量電路如圖4.9所示。 2)交流電橋法測量116圖4.9交流電橋法測電感圖4.9交流電橋法測電感117 根據(jù)平衡方程有 式中 ZL=Rx+jωLx 進(jìn)一步推算可得 根據(jù)平衡方程有118 3)用諧振電路測量 測量電路如圖4.10所示。 3)用諧振電路測量119圖4.10諧振法測電感圖4.10諧振法測電感120 測量時，首先調(diào)節(jié)信號源的頻率，使電壓表的讀數(shù)為最大值，記下此時頻率為f1，這時有 由于式中C0還未可知，需進(jìn)行第二次測量，此時不接入電容C，對應(yīng)的諧振頻率為f2，因此有 測量時，首先調(diào)節(jié)信號源的頻率，使電壓表的讀數(shù)為最大值，記121 所以有 4)用Q表測量 Q表可以用來準(zhǔn)確測量電感線圈的Q值與電感量。其基本電路如圖4.11所示。 所以有122圖4.11用Q表測電感圖4.11用Q表測電感123 圖中e（t）是頻率可變振蕩信號源，CT是調(diào)諧電容，容量為C，當(dāng)電感線圈接入測量電路后，調(diào)節(jié)信號源的頻率在電感線圈的工作頻率附近，改變CT，使UC為最大，此時電路處于諧振狀態(tài)，ω0L=1/(ω0C)，有 同時UC=Qe（e為e（t）的有效值），則 圖中e（t）是頻率可變振蕩信號源，CT是調(diào)諧電容，124 因而 5)用電子儀表測量 常用的LCR測試儀器測量電感則采用了電感—電壓轉(zhuǎn)換法，如圖4.12所示。 因而125圖4.12電感—電壓轉(zhuǎn)換法測量電感圖4.12電感—電壓轉(zhuǎn)換法測量電感126 圖中Us、R1為固定量，運算放大器輸出為Uo，在復(fù)數(shù)領(lǐng)域 后續(xù)虛部、實部分離電路可以從Uo中分離出實部Ur和虛部Ux，則 圖中Us、R1為固定量，運算放大器輸出為Uo，在復(fù)數(shù)領(lǐng)域127 4.1.4電容的特性與測量 1.電容的參數(shù)、種類與標(biāo)識方法 1）電容的參數(shù) 電容的主要參數(shù)為電容量和額定工作電壓。電容量表示在單位電壓上電容器上能存儲多少電荷。 2)電容的種類 電容器的種類很多。根據(jù)制作材料來分，有鋁質(zhì)電容、鉭電容、云電容、獨石電容、滌綸電容、瓷片電容等等。根據(jù)工作電壓來分，有低壓電容和高壓電容。根據(jù)工作頻率來分，有低頻電容和高頻電容。還有固定電容、可變電容、穿心電容等等，可根據(jù)工作條件與要求加以選用。 4.1.4電容的特性與測量128 3)標(biāo)注方法 和電阻的標(biāo)注方法相類似，電容的標(biāo)注方法有直標(biāo)法和色標(biāo)法。 2.電容的測量 1)用諧振法測量 測量電路如圖4.13所示，圖中Us為激勵信號源，L為標(biāo)準(zhǔn)電感，Cs為確定的電感分布電容，R為信號源內(nèi)阻，Cx為被測電容。 3)標(biāo)注方法129圖4.13諧振法測電容圖4.13諧振法測電容130 測量時可反復(fù)調(diào)節(jié)信號源頻率，使電壓表讀數(shù)最大，這時信號源的頻率為f0，由電路諧振條件可知

即 所以 測量時可反復(fù)調(diào)節(jié)信號源頻率，使電壓表讀數(shù)最大，這時信號源131 2)用Q表測量 Q表常用于對在高頻下工作的電容器進(jìn)行測量。這時被測電容器可等效為一個理想電容與一個較大的電阻相并聯(lián)的模型。實際測量電路如圖4.14所示。 2)用Q表測量132圖4.14用Q表測電容圖4.14用Q表測電容133 接著將被測電容Cx跨接于“外接電容”上，重新調(diào)整調(diào)諧電容,使電路達(dá)到諧振，將新的調(diào)諧電容的值記為C2，新的Q值為Q2。這時有 3)用轉(zhuǎn)化法測量 舉例來說，多諧振蕩器的頻率與振蕩電容有著確定的關(guān)系，如果以被測電容作為振蕩電容，則可以構(gòu)成一個電容—頻率轉(zhuǎn)換電路，如圖4.15所示。 接著將被測電容Cx跨接于“外接電容”上，重新調(diào)整調(diào)諧電容134圖4.15電容—頻率轉(zhuǎn)換電路圖4.15電容—頻率轉(zhuǎn)換電路135 原理類似于圖4.12所示的電感測量電路，如圖4.16所示。 原理類似于圖4.12所示的電感測量電路，如圖4.16所示136圖4.16電容—電壓轉(zhuǎn)換電路圖4.16電容—電壓轉(zhuǎn)換電路137 圖中Cx與Rx為被測電容，R1為已知標(biāo)準(zhǔn)電阻，U（t）為測量用正弦信號源，其有效值為Us，運算放大器的輸出與輸入之間用復(fù)數(shù)表示的電壓傳遞函數(shù)為

輸出電壓的實數(shù)部分與虛數(shù)部分可以被分離并計算出來，分別用Ur與UI表示，則有 圖中Cx與Rx為被測電容，R1為已知標(biāo)準(zhǔn)電阻，U（t）138 所以有 所以有1394.2半導(dǎo)體二極管、三極管

與場效應(yīng)管的測量 4.2.1半導(dǎo)體二極管的測量 1.二極管的特性、種類與參數(shù) 決定二極管的作用的主要參數(shù)有以下幾個： (1)最大整流電流IfM。 (2)最大反向工作電壓URM。 (3)反向電流IR。 (4)導(dǎo)通電阻。 (5)極間電容。4.2半導(dǎo)體二極管、三極管

與場效應(yīng)管的測量 4.2.1140 2.二極管的測量 1)用模擬式萬用表進(jìn)行測量 通常萬用表的紅表筆置于面板上“+”號端口，黑表筆置于“-”號端口。萬用表在歐姆擋工作，由表內(nèi)電池提供電源，“-”號端對應(yīng)電池正端，“+”號端對應(yīng)電池負(fù)端。內(nèi)部電池這樣設(shè)計，是為了保證在電阻測量時流入萬用表的電流與在電壓或電流測量時相同。 用模擬式萬用表測量二極管的等效電路如圖4.17所示。 2.二極管的測量141圖4.17用VC9801A萬用表測量二極管等效電路圖4.17用VC9801A萬用表測量二極管等效電路142 2)用數(shù)字萬用表來測量 可以設(shè)計一些適應(yīng)性電路與通用儀表相結(jié)合，來解決二極管測量的大多數(shù)問題，如圖4.18所示。 3)用通用儀表與適配電路測量 對于二極管的一些重要屬性，萬用表是測不出來的，而專用測試儀表通常又很貴。因此可以設(shè)計一些適應(yīng)性電路與通用儀表相結(jié)合，來解決二極管測量的大多數(shù)問題，如圖4.18所示。 4)用晶體管圖示儀測量 晶體管特性圖示儀不僅可以測量二極管的大多數(shù)參數(shù)，而且能夠以圖形的形式展示二極管的正向伏安特性曲線。 2)用數(shù)字萬用表來測量143圖4.18用通用儀表測二極管(a)穩(wěn)壓管測試電路；(b)發(fā)光二極管測試電路；(c)變?nèi)荻O管測試電路；(d)示波器觀測開關(guān)二極管圖4.18用通用儀表測二極管144 4.2.2晶體三極管的測量 1.三極管的特征、類型與參數(shù) 在滿足一定的條件時，對小信號輸入電流進(jìn)行線性放大，或者控制大信號（開關(guān)信號）的傳遞，是三極管的基本特征。 三極管有多種類型，從制作材料來分，有鍺三極管和硅三極管；從PN結(jié)構(gòu)來分，有PNP型管和NPN型管；從消耗功率來分，有小功率、中功率和大功率三極管；從工作頻率來分，有低頻三極管、高頻三極管和超高頻三極管；從工作電壓來分，有低反壓三極管和高反壓三極管；從工作特性來分，有普通三極管與開關(guān)三極管等等。 4.2.2晶體三極管的測量145 2.三極管的測量 三極管的集電極與發(fā)射極的區(qū)分方法在確定三極管的基極與類型以后，比如NPN型三極管，可按圖4.19來判定三極管的集電極與發(fā)射極。 2.三極管的測量146圖4.19用萬用表判定三極管c、e極圖4.19用萬用表判定三極管c、e極147 1)用萬用表測量 數(shù)字萬用表一般都有三極管測量擋，如VC9801A型萬用表，在已知基極與管子的類型后，根據(jù)三極管正確連接時直流放大倍數(shù)β較大的特點，可以區(qū)分出發(fā)射極和集電極。 2)用晶體管圖示儀測量 晶體管特性圖示儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般有電子管式、晶體管式和集成電路式三種類型，由基極階梯信號發(fā)生器、集電極掃描電壓發(fā)生器、測試轉(zhuǎn)換與控制電路、顯示處理電路和顯示器組成，如圖4.20所示。

1)用萬用表測量148圖4.20晶體管特性圖示儀基本組成原理圖4.20晶體管特性圖示儀基本組成原理149 圖4.21所示是晶體管圖示儀顯示的小功率三極管9013的c-e極輸出特性曲線。 圖4.21所示是晶體管圖示儀顯示的小功率三極管9013的150圖4.219013的c-e極輸出特性曲線圖4.219013的c-e極輸出特性曲線151 4.2.3場效應(yīng)管的測量 1.用晶體管特性圖示儀來測量 其測量方法大致類同于晶體三極管的測量。用JT-1圖示儀測量場效應(yīng)管3DJ7的過程如下:查手冊知，這是一種N溝道結(jié)型場效應(yīng)管,其管腳排列為S、D、G，分別對應(yīng)于晶體三極管的引腳e、c、b，相當(dāng)于一個NPN小功率三極管。 2.用通用儀表與適配電路測量 圖4.22（a）中的電流表直接指出被測管的IDSS。圖4.22（b）是測量場效應(yīng)管的夾斷電壓的簡易電路。當(dāng)UGG為零時，同圖4.22（a）一致。 4.2.3場效應(yīng)管的測量152圖4.22用電流表和適配電路測量場效應(yīng)管圖4.22用電流表和適配電路測量場效應(yīng)管1534.3集成電路的測試 4.3.1中小規(guī)模集成電路的一般測試 1.模擬集成電路的測試 1）線性芯片測試 掌握了對運算放大器的特性的測量原理與方法，也即掌握了對一般線性集成電路的測試方法。理想的運算放大器如圖4.23所示，具有如下特性： ①輸入阻抗Rin=∞；②輸出阻抗Ro=0；③電壓增益Av=∞；④帶寬為∞；⑤當(dāng)Uin--Uin+=0時，Uo=0。4.3集成電路的測試 4.3.1中小規(guī)模集成電路的一般154圖4.23基本的運算放大器電路圖4.23基本的運算放大器電路155 (1)運算放大器開環(huán)輸入阻抗的測量。 運算放大器的輸入阻抗由兩輸入端之間和每個輸入端與地之間的阻抗組成，如圖4.24所示。 (1)運算放大器開環(huán)輸入阻抗的測量。156圖4.24測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗圖4.24測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗157

Rin稱為差分輸入阻抗，Rc稱為共模輸入阻抗。當(dāng)作為反相放大器使用時，同相輸入端接地，RcRin，可以近似認(rèn)為差分輸入阻抗即為其輸入阻抗。 測量運算放大器開環(huán)輸入阻抗的電路如圖4.25所示。 Rin稱為差分輸入阻抗，Rc稱為共模輸入阻抗。當(dāng)作為反相158圖4.25運算放大器基本測試電路圖4.25運算放大器基本測試電路159 (2)運算放大器開環(huán)增益Av的測量。 Av的測量方法仍采用如圖4.24所示測量運算放大器的輸入阻抗的方法。因為Av=Uo/Ui，且 所以 (2)運算放大器開環(huán)增益Av的測量。160 (3)運算放大器轉(zhuǎn)換速率（Sr）的測量。 運算放大器能夠?qū)⒄倚盘栟D(zhuǎn)化為矩形波，這種大信號工作特性一般用Sr來表征，可以用示波器來測量。具體測量電路如圖4.26所示。 (3)運算放大器轉(zhuǎn)換速率（Sr）的測量。161圖4.26運算放大器轉(zhuǎn)換速率的測量（a）測量運算放大器轉(zhuǎn)換速率電路；（b）圖(a)所示電路的輸入和輸出電壓圖4.26運算放大器轉(zhuǎn)換速率的測量162 2）一般模擬集成芯片的測試 (1)性能指標(biāo)測量。 圖4.27是單片集成鎖相環(huán)CD4046的測試電路。 2）一般模擬集成芯片的測試163圖4.27CD4046性能測試電路圖4.27CD4046性能測試電路164 (2)集成芯片的在線測試。 在調(diào)試和維修工作中，常常對已焊接在電子線路板上的集成芯片是否正常產(chǎn)生疑問。這時采用在線測試的方法，可以解決大多數(shù)問題。在線測試一般有以下幾種方法： ①電阻測量法： ②電壓測量法： ③信號注入法： (2)集成芯片的在線測試。165 在圖4.28所示的電路中，正常時多引腳對地電壓如表4.2所示。 2.數(shù)字集成電路的測試 數(shù)字集成電路處理的都是以0、1為特征的數(shù)字電壓。數(shù)字集成電路的電特性主要是數(shù)字電路的電特性，最主要的有輸入電平、輸出電平、輸入電流、輸出電流、轉(zhuǎn)換時間、延遲時間、功率消耗等等。 在圖4.28所示的電路中，正常時多引腳對地電壓如表4.2166圖4.28μPC1353應(yīng)用電路圖4.28μPC1353應(yīng)用電路167表4.2μPC1353各引腳對地電壓測量值引腳1234567891011121314電壓/V4.74.75.85.38.26.15.16.411126.82.50.60.6表4.2μPC1353各引腳對地電壓測量值引腳123456168 4.3.2集成電路測試儀 集成電路測試儀（或測試系統(tǒng)）是用于集成電路設(shè)計、驗證、生產(chǎn)測試的專用儀器（系統(tǒng)），按測試門類可分為數(shù)字集成電路測試儀、存儲器測試儀、模擬與混合信號電路測試儀、在線測試系統(tǒng)和驗證系統(tǒng)等。由于這些測試儀的測試對象、測試方法以及測試內(nèi)容都存在差異，因此各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置和技術(shù)性能差別較大。 4.3.2集成電路測試儀169 4.3.3大規(guī)模數(shù)字集成電路的JTAG測試 目前，中大規(guī)模集成電路的應(yīng)用已十分普遍，由于專用的集成電路測試儀價格昂貴，利用它來解決這些集成電路在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、維修中的測試問題，對于廣大普通用戶來說是不現(xiàn)實的。 IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)支持以下3種測試功能： (1)內(nèi)部測試——IC內(nèi)部的邏輯測試； (2)外部測試——IC間相互連接的測試； (3)取樣測試——IC正常運行時的數(shù)據(jù)取樣測試。 4.3.3大規(guī)模數(shù)字集成電路的JTAG測試170 BSC起著把輸入輸出信號與內(nèi)部邏輯隔離或連通的作用，所有的BSC在IC內(nèi)部構(gòu)成JTAG串聯(lián)回路，如圖4.29所示。 BSC起著把輸入輸出信號與內(nèi)部邏輯隔離