电子测量(第3章)

第三章电子元器件的测量教学目标及要求：了解：（1）阻抗的概念及电阻、电容和电感的等效电路；（2）电阻、电容和电感的种类及参数；（3）半导体器件的特性、参数与种类；（4）晶体管特性图示仪。掌握：（1）电阻的测量方法；（2）电桥法、谐振法测量元件；（3）用万用表检测半导体器件的方法；（4）Q表的组成原理及应用；（5）集成电路的估测。第三章电子元器件的测量3.1电阻、电感和电容的测量3.1.1阻抗的概念如图3-1所示，若在一个无源网络（或二端网络）的两输入端施加一激励电压信号（直流或交流），将产生一个电流。当激励电压为直流电压E时，对应产生的电流为I，其电压与电流之比为一个常数，称之为电阻R，即R=E/I。当激励电压为交流电压u(t)时，对应的响应电流为i(t)，这时我们将该电压与电流之比称为阻抗Z。由于响应电流i(t)与u(t)之间通常会存在一个相位差，故Z=()()utit=R+jX。阻抗Z的实数部分R为电阻，是交流电路中耗能元器件；虚数部分X为电抗，是存储能量的元器件。第三章电子元器件的测量图3-1阻抗的示意图第三章电子元器件的测量对于纯电阻性元器件，阻抗表达式中电抗部分为零。对于纯电感性元器件，阻抗表达式中电阻部分为零，电抗部分为正值。对于纯电容性元器件，阻抗表达式中电阻部分为零，电抗部分为负值。电抗的特性一般都随频率变化而变化。在直流电路中，电感性元器件的电抗无穷小，电容性元器件的电抗为无穷大。反之，在高频电路中，电感性元件的电抗无穷大，电容性元件的电抗无穷小。图3-2所示为电阻、电感、电容三种基本元器件的理想模型。实际元器件是复杂的，每一种元器件在高频工作时都会在不同程度上同时显示电阻、电容和电感三种特性。图3-3所示即为电阻、电感、电容的实际等效电路。第三章电子元器件的测量图3-2理想的电阻、电感、电容第三章电子元器件的测量为表征元器件储能与耗能之间的关系，引入了品质因数Q，同时定义：XQR（3-1）对于电感有：2LLfLQRR（3-2）对于电容有：1/()12CCQRfRC（3-3）第三章电子元器件的测量3.1.2电阻的特性与测量1.电阻的参数和种类电阻是电路中应用最多的元器件之一，常应用于限流、降压、分流、分压等。电阻最主要的参数是标称值和额定功率。标称值是指电阻的标准值，一般根据其精密度的不同，会有一定的误差。额定功率是指电阻在一定条件下长期工作而不损坏的情况下，所允许承受的最大功率。电阻的参数还有精度、最高工作电压、最高工作温度、噪声系数以及高频特性等。第三章电子元器件的测量电阻的类别和主要技术指标可以直接标注在电阻的表面，这种标示方法叫做直标法。如图3-5（a）所示电阻为碳膜电阻，阻值为100Ω，精度为1%。图3-5（b）所示为电阻额定功率的直标法。图3-5（a）1001%TR0.5W(a)(b)(c)电阻碳膜第一位数第二位数倍乘允许误差第三章电子元器件的测量1001%TR0.5W(a)(b)(c)电阻碳膜第一位数第二位数倍乘允许误差1001%TR0.5W(a)(b)(c)电阻碳膜第一位数第二位数倍乘允许误差（b）（c）图3-5电阻的标注第三章电子元器件的测量电阻还有一类常见的标示方法——色标法，即将电阻的类别和主要技术参数的数值用不同的颜色表示，标注在电阻上，如图3-5（c）所示，称为色环电阻。其中第一、第二色环表示电阻倍乘的数量值，第三环表示倍乘的幂值，若将第一、第二、第三色环分别用x、y、z表示，则该电阻的阻值为：R=（10x+y）×10z，第四色环表示电阻值允许的误差。各种颜色代表的量值如表3-1所示。表3-1色码电阻色环对应数值颜色黑棕红橙黄绿蓝紫灰白金银无色表示数值012345678910-110-2表示误差1%2%3%4%5%10%20%例如，四环电阻的颜色依次为黄、紫、橙、金，根据表3-1可得R=（4×10＋7）×103=47kΩ，误差为5%。常见的色环电阻有三色环、四色环和五色环三种，其中三色环的电阻没有误差位（第三色环为幂），误差为20%。第三章电子元器件的测量2.电阻的测量对于阻值固定且在低频下工作的电阻，可以根据欧姆定律对其进行测量。只要测得电阻两端的电压以及流过电阻的电流，即可由欧姆定律R=U/I求出电阻的实际数值。图3-6所示为利用电流表和电压表测量电阻的两种方法，是一种间接测量电阻的方法，存在一定的误差。在图3-6（a）所示的电路中要求电流表的内阻远远小于被测电阻R，才不至于影响流过电阻的电流，或者说在电流表上产生的电压降足够小。这样，电阻R两端的电压近似为电压表指示的电压。图3-6（b）所示的测量电路要求电压表的内阻足够大，可以认为流过电压表的电流近似为零，这样电阻R中的电流可以近似为电流表指示的电流。第三章电子元器件的测量AV(a)+-AV(b)RR+-AV(a)+-AV(b)RR+-（a）（b）图3-6电阻测量的基本电路第三章电子元器件的测量最常用的电阻测量工具为万用表和电桥。模拟万用表和数字万用表均有电阻测量挡。模拟万用表的电阻测量工作原理基本上与图3-6所示相同。万用表内部有电池作为电压源，当被测电阻接于两表笔之间，表头中会有与被测电阻成正比的电流流过，表头指针指示出对应的电阻值。使用模拟万用表测量电阻之前，要先将两表笔短路，调节调零电位器，使其指示为零。在测量过程中要适当调整万用表的量程范围，尽量使仪表的指针处于表头的中间位置，减小测量的误差。数字万用表测量电阻不仅不需调零，而且精度比模拟万用表高，但受其输入电阻的影响，在测量阻值较小的电阻时，相对误差也很明显。第三章电子元器件的测量当对电阻的测量精度要求很高时，可用直流电桥进行测量。图3-7所示为常见的惠斯登电桥，图中R1、R2是固定电阻，R1/R2=K，RN为标准电阻，Rx为被测电阻，G为检流计。RNR1RxR2G+-图3-7惠斯登电桥测电阻第三章电子元器件的测量测量时，通过调节RN，使电桥平衡，即检流计指示为零。此时有2121xNRRRRRR（3-4）即R2RN=R1Rx所以有21xNNRRRKRR（3-5）当需要测量很大的电阻时，电池所产生的电压对被测量的电阻来说显得太小了，因此必须采用很高的电压，这时可以采用兆欧表来测量。兆欧表内部有一个手摇直流发电机，用以产生测量所需的直流高压，故兆欧表又称为摇表。利用兆欧表能产生直流高压的特点还可以测量物体（电阻）的耐压程度。第三章电子元器件的测量3.1.3电感的特性与测量电感一般是在特制的骨架上用金属导线绕制而成的磁性线圈。当接通电源后，线圈四周就建立起磁场，储存了磁场能，故电感是储存磁场能量的元件。在电路中常与电容、电阻一起组成无源滤波器或振荡器等。1.电感的种类与参数根据电感在电路中的作用，可将其分为自感和互感；根据工艺结构的不同，电感可分为空心电感与磁芯电感、卧式电感与立式电感等。此外还有色码电感、贴片式电感等种类之分。第三章电子元器件的测量电感的主要参数有三个：电感量、品质因数和分布电容。（1）电感量。表示线圈产生自感应能力的大小，用字母L表示，单位为亨利（用字母H表示）。它的定义是：当电感线圈中及其周围不存在铁磁物质时，通过线圈的磁通量与流过线圈的电流的比值。（2）品质因数。电感的等效电路如图3-3所示。电感损耗电阻为R，在一定频率的交流电压下工作时，电感所呈现的感抗与损耗电阻R之比，称为电感的品质因数，即2LfLQRR（3-6）（3）分布电容。由于制作工艺等原因，电感线圈的匝与匝之间密切接触，存在着一定量的分布电容。在高频时会使线圈的稳定性变差、Q值下降，故分布电容越小越好。第三章电子元器件的测量2.电感的测量根据对测量精度要求的不同，电感的等效电路也不相同，故而测量的方法也不相同。1）利用通用仪器测量在低频工作时，若忽略电感的损耗，可将电感视为理想电感，则可以按照复数的欧姆定律进行测量。其方法是在交流电压工作条件下，利用电压表和电流表测出加于电感两端的电压U和流过电感的电流I，则感抗XL=ωL=U/I，如图3-8所示。图中，信号源的频率一般为几百赫兹，直接测量电感中的电流有困难，因而设有一个电阻r，xrL，一般为10Ω，由r上的电压U1可以间接测出电流I。实际测量中只需用普通电压表测出U1和U2的值，第三章电子元器件的测量由复数的欧姆定律可得1122/LxUUXfLIUr所以122xUrLfU（3-7）因此，可以按此法用交流毫伏表或数字万用表测量未知电感的电感量，只要进行两次电压测量即可。第三章电子元器件的测量2）交流电桥法测量在低频情况下，若电感的损耗不可忽略，可以用交流电桥进行测量。测量电路如图3-9所示。R2RxRnGR1Lxu(t)CnRLxrV2V1Au(t)图3-8用通用仪器测电感示意图图3-9交流电桥法测电感第三章电子元器件的测量图中Lx与Rx是被测电感的串联模型。激励源是频率为50Hz到几百赫兹的正弦波。R1、R2、Cn是可调电阻与可调电容。测量时反复调节，使电桥达到平衡，检流计G中无电流通过。根据平衡方程有2LnCZRRZ式中ZL=Rx+jωLx11111/1CnnRZRjCjRC进一步推算可得nnxCRRL2（3-8）12RRRRnx（3-9）第三章电子元器件的测量3）用谐振电路测量由电工学可知，电感与电容可以组成谐振电路，谐振时电路中的感抗与容抗相等，电抗为零。若已知激励源频率，且电感与电容中有一个为已知量，则可测出另一个量。测量电路如图3-10所示。图3-10谐振法测电感sCrC0LxVus第三章电子元器件的测量测量时，首先调节信号源的频率，使电压表的读数为最大值，将此时频率记为f1，这时有2101(2)()xLfCC由于式中C0还是未知，需进行第二次测量，此时不接入电容C，对应的谐振频率为f2，因此有2201(2)xLfC上述两式联立，可以求得CfffC21222102201(2)xLfC（3-10）第三章电子元器件的测量4）用电子仪表测量（转换法）电子仪表测量电感，一般采用间接测量的方法。将被测电感置于专门设计的电路，通过分析其对电路输出的影响，求出被测电感的量值。比如说，如果有一个振荡器，在其他条件不变的情况下，振荡频率仅与振荡线圈的电感量有关，若将被测电感作为振荡线圈，通过测量振荡器的输出信号频率，则可以计算出线圈的电感量。这种方法称为电感—频率转化法。另外，在实际应用中常用的还有电感—电压转换法，其测量原理与电感—频率转化法类似，如图3-11所示。第三章电子元器件的测量虚部实部分离电路RxLxUoUrUxR1R2Us-++∞图3-11电感—电压转换法测量电感第三章电子元器件的测量图中Us、R1为固定量，运算放大器输出为Uo，在复数领域oss1111LxxxxssZRjLRjLUUUUURRRR图中虚部、实部分离电路可以从Uo中分离出实部Ur和虚部Ux，则sxxsxrURLUURRU11故而112xxxssURURLUUf（3-11）第三章电子元器件的测量3.1.4电容的特性与测量电容器也是电路的基本元件之一。用绝缘介质将两块金属板隔开，就构成了一个简单的电容元件。若在电容两金属板上加电压，两板之间就会建立电场，储存电能。电容的基本特性为“导通交流电，隔离直流电”。电容器在电路中常用于存储电能、滤波、耦合交流、隔离直流以及与电感元件一起构成选频回路等，在电子线路中有着广泛的应用。第三章电子元器件的测量1.电容的参数、种类与标注方法1）电容的参数电容的主要参数为电容量和额定工作电压。电容量表示在单位电压上电容器上能存储多少电荷。电容量与电容器两极板的面积成正比，与两极板的距离成反比，且与两极之间的介质有关。电容器的工作电压是指在规定的温度范围内，电容器能够长期可靠工作的最高电压。另外，由于电容器中的介质并不是绝对的绝缘体，在外加电压的作用下，总会有些漏电流，并产生功率损耗，因此，电容器还有漏电阻、漏电流与损耗因数等重要参数，其中损耗因数定义为电容器