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1、第十章 电子元器件的测量,10.1 概述 10.2 无源元件的阻抗测量 10.3 分立器件参数的测量概述 10.4 分立器件测量仪器,1,10.1 概述,10.1.1 电子元器件的分类 10.1.2 电子元器件测量的特点,10.1.1 电子元器件的分类,1）几个术语： 元件 ：在电子元器件中，通常将电阻器、电容器、电感器等元器件称为基本电路元件，简称元件 ； 器件 ：将晶体二极管、三极管、场效应管、单结管、晶闸管等元器件称为半导体器件，简称器件 ； 集成电路 ：将运算放大器、数字逻辑电路、半导体存储器、混合集成电路等元器件称为集成电路器件，简称集成电路。,10.1.1 电子元器件的分类,2）分
2、类 常见的电子元器件包括无源电子元件、有源电子器件、模拟与数字集成电路等，也可统称为电气网络。 根据其特性的不同，电气网络可分为无源网络和有源网络。 根据应用频率的不同，电气网络又可分为低频网络、高频网络、微波网络等。 其中： 无源电子元件主要包括电阻、电容、电感等。 有源电子器件主要包括二极管、晶体三极管、场效应管、晶闸管等半导体器件 。 模拟集成电路包括运算放大器、模拟乘法器、电压比较器等 。,10.1.1 电子元器件的分类,10.1.2 电子元器件测量的特点,（1）电子元器件及集成电路等系统的参数，均属无源量，对这些参数的测量，均要采用相应的信号源做激励，然后再测量在该激励下的响应，通过
3、分析处理，获得被测结果。 （2）电子元器件及集成电路的特性和参数分为静态（直流）、稳态（交流）和动态（脉冲）三类，元器件表现出的属性与时间和频率密切相关，其测量可在时域或频域内进行。,（3）元器件参数测试结果与测试条件密切相关，在进行测量时，保证其规范中规定的测试条件十分重要。测试条件包括被测元器件的工作点（工作的电压、电流）、测试频率、负载特性、环境温度等。 （4）被测元器件的种类繁多，要测试的参数类型、数量巨大，测试的工作量大，测试成本高；并且需要综合应用到测量、半导体、微电子计算机、控制、通信等技术，技术高、难度大。,10.1.2 电子元器件测量的特点,10.2 无源元件的阻抗测量,10
4、.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述 1)阻抗的基本概念 2)无源器件的阻抗模型 3)与阻抗相关的派生参数 4)阻抗测量方法概述 5)阻抗测量技术及仪器的分类 6).测试连接头 10.2.2电桥法 1)电桥的平衡条件 2)交流四臂电桥 3) 变压器耦合臂电桥 4)电桥法测量集总参数元件的误差 5)LCR数字万用电桥的实例,10.2.3 谐振法 1)谐振法测电容、电感 2)Q值测量 10.2.4 电压电流法 1)矢量电流-电压的原理 2)智能化LCR测量仪的基本组成 10.2.5自动平衡电桥,10.2 无源元件的阻抗测量,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,1）阻抗的基本概念 定义：阻
5、抗表示对流经器件或电路电流的总抵抗能力。对于一个单口或双口网络，阻抗定义为施加在端口上某一频率的电压和由该电压产生的流进端口的同频电流之比 。 公式：阻抗Z可表示为,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,表示方式： 阻抗在直角坐标系中用R+jX的形式表示，或在极坐标系中用幅度和相角表示，即 转换关系,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,2）无源器件的阻抗模型 从理论上讲，纯电阻只有实部，其两端的电压和流过的电流相位相同。纯电容和纯电感只有虚部，纯电容的虚部为负，会使电流的相位超前于电压90o；纯电感的虚部为正，会使电流的相位滞后于电压90o。 对于较复杂的电气网络，因为内部既包含
6、电阻，又包含电容和电感，所以其复阻抗既有实部，又有虚部，其两端电压与流过的电流之间存在一定的相位差。 实际上，并没有理想的电阻、电容和电感，任何元件都存在一定的寄生特性。详细的元件等效模型如表10-1所示。,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,3）与阻抗相关的派生参数 导纳：阻抗的倒数称为导纳 其中G和B分别为导纳Y的电导分量和电纳分量。导纳的极坐标形式为 和 分别是导纳幅度和导纳角。,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,品质因数Q值：网络在一个周期内存储的能量和消耗的能量之比，即 式中： 为一个信号周期内网络中电容或电感等储能元件所储存的能量； 为一个信号周期内网络中电阻所消
7、耗的能量。实际上Q值就是阻抗虚部和实部之比。 对于电感有： 对于电容有： 显然，R越小，Q值越大，电感和电容越接近理想电感和理想电容。,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,4）阻抗测量方法概述 （1）阻抗参数属无源量，因此必须在信号源的激励下才能进行测量； （2）阻抗测量原理和电压测量一样，可分为直接比较和间接比较两大类。,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,5）阻抗测量技术及仪器的分类,10.2.1 无源元件R、L、C的阻抗概述,6）测试连接头 （1）二端接线柱式，此种连接将引入各种不确定的残余阻抗量影响。引线电感、引线电阻、以及两条引线间的杂散电容都会叠加到测量结果中，因此
8、仅适用于被测阻抗既不能太高，也不能太低的场合。 （2）三端连接头，也可称为具有屏蔽的二端连接方式。利用同轴电缆可减小杂散电容的影响并有效地消除对地分布电容影响。广泛用于较低频率下的导纳测量，较高频率的阻抗测量仪器使用较少。 （3）四端连接头，信号电流激励通路与电压检测通路是彼此独立的，可减小引线阻抗的影响，通常可测量精度低到10m范围的小阻抗。 （4）五端连接头是三端和四端连接头的组合，它具有四条同轴电缆，四条同轴电缆的外导体均接到保护端，具有10m到100M的宽测量范围。五端的屏蔽连接线能改进小阻抗的测量精度。 （5）四端对接头用同轴电缆把电压检测电缆与信号电流通路相隔离，返回电流通过同轴电
9、缆的外导体，使外导体（屏蔽）抵消了内导体所产生的磁通。有效地消除引线间互感影响及消除接触电阻等分布余量，测量范围可扩展到1m以下。四端对连接适用于宽量程范围的阻抗测量，被阻抗测量仪器广泛采用。,10.2.2 电桥法,电桥法又叫指零法，以电桥平衡原理为基础。其优点是能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响，精度很高，可达 。它最适宜在音频范围内工作，也可工作在高频。 1）电桥的平衡条件 电桥平衡必须同时满足两个条件：相对臂的阻抗模乘积必须相等（幅度平衡条件）；相对臂的阻抗角之和必须相等（相位平衡条件）。 2 ）交流四臂电桥 精密万用电桥 ：由测量信号源、测量桥路、平衡指示电路、平衡调节机构、显示电
10、路和电源等组成。,激励桥路的测试信号源有两种：测量电感和电容时，可用1KHz振荡器；测量电阻时，用整流后的直流电压；平衡指示电路由高输入阻抗的低噪声输入放大级、选频放大级和输出检波级组成，具有较高的灵敏度和抗干扰能力；平衡调节机构是电桥结构的最关键、最重要的装置，它是一套经过精心设计的特殊结构装置，在制作工艺上有较高的要求。,交流电桥平衡条件,一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。,电桥平衡必须同时满足两个条件：相对臂的阻抗模乘积必须相等（幅度平衡条件）；相对臂的阻抗角之和必须相等（相位平衡条件）。因此，在交流情况下，必须调节两个或两个以上的元件才能将电桥调节到平衡。同时，电
11、桥四个臂的元件性质要适当选择才能满足平衡条件。,10.2.2 电桥法,3)变压器耦合臂电桥 所谓变压器耦合比例臂，实际上就是由绕在铁芯上的绕组所构成的电压比例臂或电流比例臂。这类电桥具有高准确度、高稳定性及很强的抗干扰性能。 两电桥的平衡条件都为 由于变压器两个绕组的匝数比 只能为实数，因此标准臂参数必须与被测参数性质相同，即同为电阻或同为电容或同为电感。,10.2.2 电桥法,4)电桥法测量集总参数元件的误差 （1）标准元件值的误差 当标准元件值不准确时会直接影响测量误差，误差的大小决定于电路的形式和元件的准确度。 (2)电桥指示器的误差 通常都用模拟式指示器作指示。当指示器灵敏度较低时，难
12、于判断最小值的准确位置，因而产生指示误差。特别是当信号源中含有较高次谐波电压时。电桥只能对基波平衡，对谐波信号并不平衡，指示器只能调节到某一最小值，会影响对平衡位置的判断。 (3)屏蔽不良引起误差 寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。,10.2.2 电桥法,5) LCR数字万用电桥的实例 万用电桥和LCR数字电桥是一种元件参量数字化智能测量仪器，该仪器采用微处理器进行电桥自动平衡，具有测量范围宽、测量速度快、测量精度高等优点，其基本精度可达0.1%，并且具有极高的稳定性和可靠性。,10.2.3 谐振法,谐振法是利用调谐回路的谐振特性而建立的阻抗测量方法。测量精度虽然不如交流电桥法高，但是由
13、于测量线路简单方便，在技术上的困难要比高频电桥小。再加上高频电路元件大多被调谐回路元件使用，故用谐振法进行测量也比较符合被测元件工作的实际情况。所以在测量高频电路参数（如电容、电感、品质因数、有效阻抗等）中，谐振法是一种重要的手段。 组成：由振荡源、 已知元件、被测元件 组成的谐振回路和谐 振指示器组成。,10.2.3 谐振法,公式 当回路达到谐振时，有 且回路总阻抗为零,10.2.3 谐振法,1） 谐振法测电容、电感 （1）直接测量 利用式(10-15)，根据测得的回路谐振频率 （MHz）和已知的标准电感值 （H），可求得电容 。同理，根据谐振频率 （MHz）和已知的标准电容值 （PF），可
14、求得电感 。 （2）替代法 替代法测电容 并联替代法：,10.2.3 谐振法,串联替代法 替代法测电感 并联替代法,10.2.3 谐振法, 串联替代法,10.2.3 谐振法,2） Q值测量 （1）Q表组成原理及测量原理 原理：Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测量仪。它能测量在高频下的电感量、损耗因数、品质因数等。 组成 ：由高频振荡器、测量电路和输入、输出指示器（PV1和PV2）等组成。,10.2.3 谐振法,（2）Q表测量中产生测量误差的因素 耦合元件的损耗电阻引起测量误差。 调谐用标准电容自身值不高引起测量误差。 表残余参量的影响，如与被测元件相连接的引线存在残量电感，会使被测电感
15、值偏大。 值电压表指示误差。 Q表典型产品实例,10.2.4 电压电流法,1）矢量电流-电压的原理 原理：将阻抗的测量变成了两个矢量电压比的测量 。 阻抗的数字测量法原理图：,10.2.4 电压电流法,固定轴法 固定轴法要求把参考电压严格固定在或方向上，使矢量除法运算简化为两个标量除法运算。这种方法要使两矢量相位严格保持一致，给实现上带来困难，两者之间不同相而产生的误差，即同相误差。为确保精确的相位关系，硬件电路复杂，调试也困难。,10.2.4 电压电流法,自由轴法如图10-14所示，是采用自由坐标轴。即坐标轴可以是任意选择。参考相位信号可以不与任何一个被测电压的方向相同，在整个测量过程中应保持不变，即与被测电压之一保持固定的相位关系。,10.2.4 电压电流法,2）智能化LCR测量仪的基本组成 智能化LCR测量仪的基本组成框图,10.2.4 电压电流法,工作过程：测试信号经限流电阻加到被测阻抗上，矢量电压和经开关选择送到相敏检波器，它的参考信号来自自由轴坐标发生器，后者在微处理器控制下产生任意方向的、精确正交的直角坐标系。开关先后接通和，得到它们在坐标轴上的四个投影值，再由双斜积分转换器变成相应的数字量，送到中暂存。最后微处理器根据键盘输入的信息，选择适当的公式进行计算，得到被测量并由显示器显示来。,10.2.5 自动平衡电桥,1）自动平衡电桥 原理图,10.2.
