《集成电路测试技术基础》实验指导书文档格式.docx

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1、了解Keithley2600系列数字源表的特点及主要优点；

2、理解Keithley2600系列数字源表开尔文测试的原理；

3、掌握Keithley2600系列数字源表的使用方法

二、实验原理

1、Keithley2600系列数字源表主要特点及优点：

2600A系列是吉时利屡获殊荣的数字源表平台的最新版本。

该平台囊括了精密电源、真电流源、DMM、任意波形发生器、电压或电流脉冲发生器，带有测量、电气负载和触发控制功能——融所有功能于一台仪器之中。

一个紧凑的单元中综合了如下功能：

精密电压源、高精度电流源、数字多用表、任意波形发生器、电压或电流脉冲发生器、电子负载以及触发控制器；

接触检测功能确保了高速及准确的测量；

每秒10,000个读数和5,500个源-测量点记录到存储器，提供了更快速的测试；

内置的测试脚本处理器（TSP™）提供非并行系统的自动化测试，将I-V测试的速度提高到同类产品的二到四倍；

2600系列提供宽动态范围：

1pA到10A，1μV到200V。

每个2600系列数字源表的通道都提供高度的灵活性、具有电压和电流表/限制器的四象限电源。

每个通道都可被设置为一个：

精密电源（高达200V和3ADC/10A脉冲输出，具有1pA读回分辨率）

精确电流源

数字多用表（直流电压、直流电流、电阻、电源，具有五位半分辨率）

电源V或I脉冲发生器（脉冲宽度：

150μs或更长－仅源；

250μs或更长－源和测量）

电源V或I波形发生器（20点正弦波在TSP测试脚本中可高达400Hz）

电子负载

2、开尔文测试

开尔文（Kelvin）测试就是通常所说的四线测试方式，四线开尔文测试的目的是扣除导线电阻带来的压降。

一段30cm长导线的等效电阻大概是十毫欧姆到百毫欧姆，如果通过导线的电流足够大（比如是安培级的话），那么导线两端的压降就达到几十到上百mV。

如想准确测量负载两端的电压就必须扣除导线电阻带来的压降。

开尔文测试的等效电路如下：

图1.1开尔文连接示意图

其中RL等效为被测器件，通过V/I源的FORCE线为器件提供恒流，通过SENSE线测量RL两端的电压。

而FORCE和AGND导线均存在等效电阻，当流经的电流较大时，势必产生比较大的压降。

由于SENSE和DGS直接接到负载两端，且输入阻抗极高，故流过这两根导线的电流可视为零，从而能精确读取负载两端电压。

2600系列源表的测试就是采用开尔文测试方法，如下图：

图1.2Keithley2600仪器模拟测试端口结构

3、Keithley2600系列数字源表前后面板

下图显示了2600系列源表的前面板

图1.32600系列前面板

注意：

2601和2611型有一个源表通道（通道A），2602和2612型有两个源表通道（通道A和通道B）。

1.特殊键和电源开关：

DISPLAY：

在各种源-测量显示和用户信息模式间切换。

2602/2612型号选择单通道或双通道显示。

CONFIG：

用于功能和操作的设置。

POWER：

电源开关，按下时（I）打开源表，弹起时（O）关闭源表。

数字键：

在EDIT模式可以直接按数字键（0-9,+/-,0000）输入数值。

2、源测量设置，性能控制和特殊操作：

最上一行–2601/2611和2602/2612型源测量设置：

SRCChannelA–选择源功能（电压V或电流A），并将光标放在源设置区用于编辑。

MEASChannelA–循环选择各测试功能（电压V，电流A，电阻Ω或功率W）。

LIMITChannelA–将光标放在限制设置区用于编辑。

MODEChannelA–直接选择测试功能（电压V，电流A，电阻Ω或功率W）。

最上一行–仅用于2602/2612型源测量设置：

SRCChannelB–选择源功能（电压V或电流A），并将光标放在源设置区用于编辑。

MEASChannelB–循环选择各测试功能（电压V，电流A，电阻Ω或功率W）。

LIMITChannelB–将光标放在限制设置区用于编辑。

MODEChannelB–直接选择测试功能（电压V，电流A，电阻Ω或功率W）。

中间行–2601/2611和2602/2612型源测量设置：

DIGITSChannelA–改变显示精度为4位半、5位半或6位半数字。

SPEEDChannelA–设置测量速度，通过控制A/D转换测量孔径实现。

RELChannelA–控制相对值，可用于在读数上减去一个基值。

FILTERChannelA–控制数字滤波器，用于减少读数噪声。

中间行–仅用于2602/2612型源测量设置：

DIGITSChannelB–改变显示精度为4位半、5位半或6位半数字。

SPEEDChannelB–设置测量速度，通过控制A/D转换测量孔径实现。

RELChannelB–控制相对值，可用于在读数上减去一个基值。

FILTERChannelB–控制数字滤波器，用于减少读数噪声。

最下一行–2601/2611和2602/2612型源测量设置：

LOAD–掉入工厂或用户自定义的运行脚本

RUN–运行最后一次的工厂或用户自定义脚本

STORE–在内部的两个缓存区中的一个里存储读数，源值和时间戳值用于后续重新调用。

RECALL–从两个缓存区中的一个里重新调用存储的读数，源值和时间戳值。

TRIG–触发器读数。

MENU–访问主菜单，进行保存和回调设置，选择远端接口，电源频率，自测试，序列号和鸣响控制。

EXIT–取消选择，跳出主菜单结构。

做为LOCAL键用于从远端控制切换回来。

ENTER–接受选择，移到下个选项或退出菜单。

3、Range键：

△和▽–选择下一个更高或更低的源或测量的范围。

AUTO–使能或取消自动选择源或测量的范围。

4、输出控制和LED状态指示灯：

OUTPUTON/OFF–控制源输出的开关。

LED指示灯–当有输出时点亮。

5、旋钮和CURSOR键：

在源编辑状态时，使用CURSOR键控制光标，然后旋转旋钮改变源或依从值。

旋钮也可以用于使能或取消源编辑模式。

当在一个菜单里时，CURSOR键或旋钮用于菜单选项光标的控制。

当显示菜单值时，使用CURSOR键控制光标，旋转旋钮改变值的大小，按下旋钮打开菜单项或选择菜单项或值。

6、显示指示（不显示）（notshown）:

EDIT设备处于源编辑模式。

ERR可疑的读数或无效的计算步骤。

REM设备处于远端控制模式。

TALK设备处于通话状态。

LSTN设备处于监听状态。

SRQ服务请求。

REL使用相对模式

FILT使用模拟示波器或平均值滤波器

AUTO源或测量范围处于自动选择状态。

ARM设备准备好，处于待命状态。

TRIG选择外触发。

*（星号）缓冲区中存有读数值。

7、后面板概述

下图显示了2600系列源表的后面板

图1.42600系列源表后面板

1、CHANNELA和CHANNELB（ChannelB只有2602/2612型号才有）

输入输出端口，包括源、测量和保护。

2、DIGITALI/O

母头DB-25连接器。

14针为数字输入或输出，1针为输出使能。

使用公头DB-25连接器（Keithley公司零件号CA-126-1CA）进行连接。

3、IEEE-488

IEEE-488（GPIB）连接器。

使用屏蔽电缆，如7007-1或Model7007-2型号。

4、散热排气孔

内部冷却风扇的排气孔。

不要堵塞排气孔防止过热。

5、机壳地

连接机壳地的地脚螺丝。

6、低噪声机壳地

连接HI或LO到机壳的接地地插孔。

7、RS-232

用于RS-232操作的母头DB-9连接器，使用直连（不是零调制解调器）DB-9电缆连接到PC机（Keithley设备编号Model7009-5）

8、TSP-Link

扩展接口，用于2600系列源表和其他有TSP功能的仪器彼此间触发和通讯。

使用超5类或更高等级的网络交叉电缆。

（Keithley设备编号CA-180-3A）。

9、电源模块

包括交流电源插座和保险管。

仪器正常工作的线电压100V~240VAC，频率50Hz或60Hz。

三、实验内容

利用Keithley2600系列单通道测试一个电阻，提供电流，测量电压，绘制出I-V特性曲线并计算出电阻值，与万用表测量的电阻值进行比较验证。

四、实验步骤

第一步：

打开电源

第二步：

连接待测器件

选择通道A,将模式调为开尔文测试模式，用四根线，其中的两根红线接到电阻一端，两根黑线接电阻另一端。

选用A通道，红黑表笔连接电阻两端，设置测量值为电压，自变量为电流。

第三步：

进行测量模式和源、测量范围的设置

通过SRC按键将源设为电流，，通过range按键将单位调为mA，通过meas按键将测量调为电压，通过range按键将单位调为mV，通过limit按键将限值调为1V。

第四步：

进行测试

不断调节电流值，并记下相应的电压值。

五、实验报告要求

1.整理实验数据，画出特性曲线图。

2.将实验结果与理论值进行比较，分析可能产生误差的原因。

实验二利用数字源表进行二极管特性参数的测试

1.掌握数字源表的测试原理及单通道测试的使用方法；

2.掌握二极管特性参数的基本测试原理及方法；

3.掌握数字源表四线制测试的方法及优势。

二、实验原理

1、发光二极管简介

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；

常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

　　发光二极管的反向击穿电压约5伏。

它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。

2、发光二极管的主要特性参数及含义

普通发光二极管的正向饱和压降为～正向工作电流为5～20ｍA

3、LED的特性

1.极限参数的意义

（1）允许功耗Pm:

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。

超过此值，LED发热、损坏。

（2）最大正向直流电流IFm：

允许加的最大的正向直流电流。

超过此值可损坏二极管。

（3）最大反向电压VRm：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:

发光二极管可正常工作的环境温度范围。

低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

2.电参数的意义

（1）正向工作电流If：

它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。

在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·

IFm以下。

（2）正向工作电压VF：

参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。

一般是在IF=20mA时测得的。

发光二极管正向工作电压VF在～3V。

在外界温度升高时，VF将下降。

（3）V-I特性：

发光二极管的电压与电流的关系

在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。

当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。

由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。

正向的发光管反向漏电流IR<

10μA以下。

3.整流二极管IN4007简介

1N4007是封装形式为DO-15的塑料封装型通用硅材料整流二极管。

广泛应用于各种交流变直流的整流电路中。

4.整流二极管IN4007的主要特性参数及含义

二极管类型:

StandardRecovery

　　电压,Vrrm:

1000V

　　电流,If平均:

1A

　　正向电压Vf最大:

1.1V

　　电流,Ifs最大:

30A

　　封装形式:

DO-41

　　针脚数:

2

　　器件标记:

1N4007

　　封装类型:

　　总功率,Ptot:

2.5W

　　正向电压,于If:

　　电流,Ifsm:

　　结温,Tj最高:

175°

C

　　表面安装器件:

轴向引线

三.实验内容

1、对发光二极管的I-V特性进行测试，利用Keithley2600系列数字源表的单通道进行测试，提供电流，测量电压，记录电压随电流变化的趋势，绘制出I-V特性曲线。

特别标注开始发光的起始电压值。

2、对整流二极管IN4007的I-V特性进行测试，利用Keithley2600系列数字源表的单通道进行测试，提供电流，测量电压，记录电压随电流变化的趋势，绘制出I-V特性曲线。

四.实验步骤

第二步：

选择通道A,将模式调为开尔文测试模式，用四根线，其中的两根红线接到二极管正端，两根黑线接二极管负端。

红表笔连接到二极管的阳极，黑表笔连接到二极管的阴极。

第三步：

通过SRC按键将源设为电流，通过range按键将单位调为mA，通过meas按键将测量调为电压，通过range按键将单位调为V，通过limit按键将限值电压调为5V。

A，B两个通道同时使用，设置电压，电流的最高值。

第四步：

1.整理不同类型二极管测试的实验数据，画出其I-V特性曲线图。

实验三利用数字源表进行三极管特性参数的测试

1.掌握数字源表的测试原理及双通道测试的使用方法；

2.掌握三极管特性参数的基本测试原理及方法；

3.掌握集成电路数据表（datasheet）的阅读理解和使用。

1.三极管的极性及管型判断

把万用表打到蜂鸣二极管档，首先用红笔假定三极管的一只引脚为b极，再用黑笔分别角碰其余两只引脚，如果测得两次读数相差不大，则表明假定是对的，红笔接的就是b极，而且此管为ＮＰＮ型管。

c、e极的判断，在两次测量中黑笔接触的引脚，读数较小的是c极，读数较大的是e极。

红笔接b极，当测得的两级数值都不在范围内，则按ＰＮＰ型管测。

ＰＮＰ型管的判断只须把红黑表笔调换即可，测量方法同上。

图3.1判断极性方法示意图

2、三极管S9012简介及主要特性参数

三极管s9012三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。

三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。

当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。

集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

3、三极管S9013简介及主要特性参数

9013是一种NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管。

9013结构：

NPN

　　集电极-发射极电压25V

　　集电极-基电压45V

　　射极-基极电压5V

　　集电极电流

　　耗散功率0.625W

　　结温150℃

　　特怔频率最小150MHZ

　　放大倍数：

D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300

4、三极管输入特性曲线含义及特点

三极管的特性曲线是用来表示各个电极间电压和电流之间的相互关系的，它反映出三极管的性能，是分析放大电路的重要依据。

特性曲线可由实验测得，也可在晶体管图示仪上直观地显示出来。

1）．输入特性曲线

晶体管的输入特性曲线表示了VCE为参考变量时，IB和VBE的关系。

（5-1）

图是三极管的输入特性曲线，由图可见，输入特性有以下几个特点：

（1）输入特性也有一个“死区”。

在“死区”内，VBE虽已大于零，但IB几乎仍为零。

当VBE大于某一值后，IB才随VBE增加而明显增大。

和二极管一样，硅晶体管的死区电压VT（或称为门槛电压）约为，发射结导通电压VBE=（）V；

锗晶体管的死区电压VT约为，导通电压约（）V。

若为PNP型晶体管，则发射结导通电压VBE分别为（-0.6~-0.7）V和（-0.2~-0.3）V。

（2）一般情况下，当VCE>

1V以后，输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合，因为VCE>

1V后，IB无明显改变了。

晶体管工作在放大状态时，VCE总是大于1V的（集电结反偏），因此常用VCE≥1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。

5、三极管输出特性曲线含义及特点

晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时，IC和VCE的关系，即:

（5-2）

图是三极管的输出特性曲线，当IB改变时，可得一组曲线族，由图可见，输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。

（1）截止区：

IB=0的特性曲线以下区域称为截止区。

在这个区域中，集电结处于反偏，VBE≤0发射结反偏或零偏，即VC>

VE≧VB。

电流IC很小，（等于反向穿透电流ICEO）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。

（2）饱和区：

特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。

当VCE<

VBE时，发射结、集电结均处于正偏，即VB>

VC>

VE。

在饱和区IB增大，IC几乎不再增大，三极管失去放大作用。

规定VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态，用VCES表示，此时集电极临界饱和电流：

（3-1）

基极临界饱和电流：

（3-2）

当集电极电流IC>

ICS时，认为管子已处于饱和状态。

IC<

ICS时,管子处于放大状态。

管子深度饱和时，硅管的VCE约为，锗管约为0.1V,　由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。

（3）放大区：

特性曲线近似水平直线的区域为放大区。

在这个区域里发射结正偏，集电结反偏，即VC>

VB>

其特点是IC的大小受IB的控制，△IC=β△IB，晶体管具有电流放大作用。

在放大区β约等于常数，IC几乎按一定比例等距离平行变化。

由于IC只受IB的控制，几乎与VCE的大小无关。

特性曲线反映出恒流源的特点，即三极管可看作受基极电流控制的受控恒流源。

1、对三极管S9012的输入特性和输出特性进行测试，利用Keithley2600系列数字源表的双通道进行测试，A通道提供基极电流iB，测量基极发射极电压uBE；

B通道提供集电极发射极电压uCE，测量集电极电流ic。

2.对三极管S9013的输入特性和输出特性进行测试，利用Keithley2600系列数字源表的双通道进行测试，A通道提供基极电流iB，测量基极发射极电压uBE；

图3.4实验电路及示例特性曲线

测量输入特性曲线时，分别固定uCE为0V和1V，然后改变iB值，测量uBE。

测量输出特性曲线时，分别固定iB为，然后改变uCE，测量ic。

四.实验步骤

用双通道，通道A的红线连接三极管的B极，黑线连接三极管的E极，通道B的红线连接三极管的C极，黑线连接三极管的E极。

选择A通道，固定Uce的值。

选择B通道改变Ib的值，测量Ube

选择A通道，固定Ib的值，之后选择B通道通过改变Uce，测量Ic。

第三步：

通过通道A的SRC按键将源设为电流，，通过range按键将单位调为mA，通过meas按键将测量调为电压，通过range按键将单位调为V；

通过通道B的SRC按键将源设为电压，，通过range按键将单位调为V，通过meas按键将测量调为电流，通过range按键将单位调为A。

（1）先将通道B的电压调为1V，然后改变通道A的源即电流值，记下相应的的电压值。

（2）先将通道A的电流调为，然后改变通道B的电压值，记下相应的电流值；

然后分别将通道A的电流值调为，，，1.0mA,重复通道B的操作。

1.整理被测三极管测试的实验数据，画出其输入输出特性曲线图。

实验四基于数字源表的基准电压源集成电路测试

1、掌握Keithley2600系列源表双通道配合测量基本方法；

2、掌握电源类集成电路基本工作原理及参数的测试方法；

3、掌握集成电路测试方案的制定方法。

1.TL431简介

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置s到从Vref（）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

图4.1TL431符号及引脚图

图是该器件的符号。

3个引脚分别为：

阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

TL431的具体功能可以用如下图的功能模块示意。

图4.2TL431结构框图

由图4.2可以看到，VI是一个内部的基准源，接在运放的反相输入端。

由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三