racunarom integrisana laboratorija za elektroniku

1

Sadraj

Sadraj 1

1 Uvod 3

2 Odreivanje karakteristika i parametara poluprovodnikih komponenti 7 2.1 Fizika realizacija trasera karakteristika komponenti..................................................................7 2.2 Softverska realizacija trasera karakteristika komponenti ....................................................... 10

2.2.1 Konfiguracija kartice i drajvera................................................................................................... 10 2.2.2 Implementacija softverske komponente trasera karakteristika .................................... 12

2.3 Merenje karakteristika diode............................................................................................................. 16 2.3.1 Karakteristike silicijumske diode................................................................................................ 19 2.3.2 Karakteristike germanijumske diode ....................................................................................... 19 2.3.3 Karakteristike Schottky diode ..................................................................................................... 21 2.3.4 Karakteristike Zener diode........................................................................................................... 21 2.3.5 Karakteristike LED diode................................................................................................................. 22

2.4 Merenje karakteristika bipolarnih tranzistora............................................................................. 23 2.4.1 Ulazne karakteristike NPN tranzistora ....................................................................................... 25 2.4.2 Izlazne karakteristike NPN tranzistora ....................................................................................... 26 2.4.3 Ulazne karakteristike PNP tranzistora........................................................................................ 27 2.4.4 Izlazne karakteristike PNP tranzistora........................................................................................ 28

2.5 Merenje karakteristika i parametara JFET tranzistora ................................................................ 29 2.5.1 Prenosne karakteristike JFET tranzistora .................................................................................. 31 2.5.2 Izlazne karakteristike JFET tranzistora ....................................................................................... 32 2.5.3 Merenje strmine JFET tranzistora ................................................................................................ 34

2.6 Merenje karakteristika i parametara MOSFET tranzistora.......................................................... 34 2.6.1 Prenosne karakteristike MOSFET tranzistora............................................................................ 37 2.6.2 Izlazne karakteristike MOSFET tranzistora ................................................................................. 38 2.6.3 Merenje strmine MOSFET tranzistora.......................................................................................... 39

2.7 Merenje temperaturske zavisnosti karakteristika bipolarnog tranzistora........................ 40 2.7.1 Prenosna karakteristika NPN tranzistora u funkciji temperature .................................... 42 2.7.2 Izlazna karakteristika NPN tranzistora u funkciji temperature ......................................... 43

3 Odreivanje amplitudskih karakteristika filtara i tranzistorskih pojaavaa 45 3.1 Fizika realizacija skalarnog mrenog analizatora .................................................................... 45

3.1.1 Realizacija primenom izdvojenog generatora i voltmetra .............................................. 45 3.1.2 Realizacija primenom undersampling metoda.................................................................... 49

3.2 Softverska realizacija skalarnog mrenog analizatora............................................................. 49 3.2.1 Realizacija primenom izdvojenog generatora i voltmetra .............................................. 50 3.2.2 Realizacija primenom undersampling metoda.................................................................... 52

3.3 Merenje frekventnih karakteristika RC kola .................................................................................. 52

SADRAJ

2

3.3.1 Karakteristike RC filtra propusnika niskih frekvencija ......................................................... 54 3.3.2 Karakteristike RC filtra propusnika visokih frekvencija....................................................... 55

3.4 Amplitudske karakteristike pojaavaa sa bipolarnim tranzistorom................................. 56 3.4.1 Amplitudska karakteristika pojaavaa sa bipolarnim tranzistorom u konfiguraciji

sa zajednikim emitorom ............................................................................................................. 58 3.4.2 Amplitudska karakteristika pojaavaa sa bipolarnim tranzistorom u konfiguraciji

sa zajednikim kolektorom.......................................................................................................... 59 3.5 Amplitudske karakteristike pojaavaa sa MOSFET tranzistorom.......................................... 60

3.5.1 Amplitudska karakteristika pojaavaa sa MOSFET tranzistorom u konfiguraciji sa zajednikim sorsom........................................................................................................................ 63

3.5.2 Amplitudska karakteristika pojaavaa sa MOSFET tranzistorom u konfiguraciji sa zajednikim drejnom ..................................................................................................................... 64

3.6 Amplitudske karakteristike dvostepenog pojaavaa sa JFET tranzistorima ................... 64

4 Analiza specifinih linearnih elektronskih kola 69 4.1 Analiza diferencijalnog pojaavaa ................................................................................................ 69

4.1.1 Statika prenosna karakteristika diferencijalnog pojaavaa......................................... 71 4.1.2 Dinamike karakteristke diferencijalnog pojaavaa ........................................................ 72

4.2 Analiza operacionog pojaavaa..................................................................................................... 73 4.2.1 Analiza invertujueg pojaavaa............................................................................................... 74 4.2.2 Analiza neinvertujueg pojaavaa.......................................................................................... 75 4.2.3 Analiza kola za diferenciranje ..................................................................................................... 76 4.2.4 Analiza kola za integraljenje........................................................................................................ 77 4.2.5 Analiza kola za sabiranje............................................................................................................... 78 4.2.6 Analiza kola za oduzimanje ......................................................................................................... 79

4.3 Analiza LC oscilatora.............................................................................................................................. 79 4.4 Analiza pojaavaa snage................................................................................................................... 81

4.4.1 Pojaava snage u klasi AB............................................................................................................ 84 4.4.2 Pojaava snage u klasi B .............................................................................................................. 84

4.5 Analiza punotalasnog usmeraa i stabilizatora napona sa rednim tranzistorom......... 86 4.5.1 Analiza punotalasnog usmeraa ............................................................................................... 87 4.5.2 Analiza punotalasnog usmeraa sa kapacitivnim filtrom ................................................ 88 4.5.3 Analiza punotalasnog usmeraa sa filtrom........................................................................ 90 4.5.4 Analiza stabilizatora napona sa rednim tranzistorom....................................................... 91

5 Zakljuak 92

Literatura i reference 93

3

1 Uvod

Razvoj industrije integrisanih kola bi bio nemogu bez razvoja alata za projektovanje, simulaciju i testiranje. Moe se primetiti da je uticaj dvosmeran: razvoj integrisanih kola je doveo do pojave jeftinih personalnih raunara, prateeg hardvera i softvera za sve oblasti istraivanja i razvoja. Integracija hardvera i softvera obuhvata i procese merenja, akvizicije, obrade i prezentacije dobi-jenih podataka. Usvojeni termin koji obuhvata pomenute procese je virtuelna instrumentacija.

Virtuelna instrumentacija je trend u tehnici i nauci zbog rastue kompleksnosti inenjerskih poslova, potrebe za velikim brojem specijalizovanih i skupih instrumenata i softvera, potrebe za visokokvalifikovanim ljudima za rad sa tim instrumentima kao i organizovanja podele rada sa instrumentima i softverom.

Osnovna paradigma ovakvog koncepta je virtuelni instrument. Virtuelni instrument je sloeni hardversko-softverski sistem. Njegova funkcija je identina

funkciji klasinog instrumenta, razlika je prisutna u prezentaciji rezultata merenja. Fiziki, odnosno hardverski sloj sistema ini raunar sa odgovarajuom mernom, akvizicio-

nom i dodatnom opremom. Ekspanzija personalnih raunara je naroito intenzivna u prethod-nih deset godina, to je dovelo do razvoja ureaja za akviziciju i obradu podataka sa odgovaraju-im interfejsom za raunar. Veliki broj klasinih mernih ureaja takoe poseduje interfejs za po-vezivanje sa raunarom. Ovi ureaji se mogu povezati eksterno preko serijskog RS232/RS422/RS485 interfejsa, paralelnog interfejsa, ili preko brih USB 1.1/2.0 i Ethernet interfejsa. Ethernet interfejs je naroito pogodan, jer prua mogunost povezivanja velikog broja razliitih ureaja i raunara u heterogenu mreu. Komunikacija sa ureajima se realizuje preko standardnih OSI i TCP/IP mo-dela. Ovakva realizacija osim skalabilnosti omoguava i poveanje distance izmeu ureaja i ko-risnika. Ukoliko se primenjuje TCP/IP model, distanca je praktino neograniena. Ureaji koji ne mogu da rade samostalno, bez raunara, su realizovani kao PCI ili PCMCIA akvizicione kartice. PCI kartice su namenjene desktop raunarima, dok se PCMCIA kartice povezuju na prenosive rauna-re i PDA ureaje.

Softversku komponentu sistema ine drajveri za rad sa ureajem i softver vieg nivoa za akvi-ziciju i obradu podataka aplikacija virtuelnog instrumenta. esto u literaturi termin virtuelni

1 UVOD

4

instrument predstavlja sinonim za aplikaciju virtuelnog instrumenta. Funkcija aplikacije je defi-nisanje signala koji se generiu, obrada podataka dobijenih akvizicijom i njihovo prezentovanje. Obrada podataka obuhvata razliite funkcije kao to je analiza u vremenskom i frekventnom domenu, razliita izraunavanja fizikih veliina koja se posredno mere pretvaranjem u elektri-ne, itd. Aplikacije virtuelnih instrumenata imaju iste osobine kao i druge aplikacije. Mogu se rea-lizovati kao multithread aplikacije, klijent/server ili web aplikacije, postoji i mogunost njihovog pisanja u obliku sistemskog servisa. Omoguena je i jednostavna prezentacija i razmena podata-ka u obliku standardnih i iroko rasprostranjenih formata.

Predstavljanje podataka je najee u grafikom obliku, funkcijama i kontrolama grafikog interfejsa koje svojim izgledom podseaju na realne merne instrumente. Interfejs je interaktivan i ima dvosmernu funkciju: osim predstavljanja prua mogunost kontrole procesa merenja, defi-nisanjem parametara signala koji se generiu (talasni oblik, amplituda, frekvencija, faza, modula-cija,...) ili ak definisanjem topologije mernog kola primenom matrica prekidaa.

Ponueni su razliiti razvojni alati i okruenja za realizaciju aplikacija virtuelnih instrumenta. Ovi alati mogu biti dodaci za ve postojea okruenja za razvoj softvera (uglavnom C ili C++) ili kao posebni alati za ovu namenu (LABVIEW). Posebni alati za razvoj aplikacija virtuelnih instru-menata omoguuju intuitivan i jednostavan razvoj bez potrebe za programerskim znanjem. Raz-voj aplikacija je na taj nain omoguen izvoau merenja, omoguujui posebnu fleksibilnost. Virtuelni instrumenti realizovani na taj nain mogu imati optu namenu ili biti specijalizovani, namenjeni za ad hoc merenja.

Pomenuti koncept virtuelne instrumentacije prua mnogobrojne prednosti u odnosu na kla-sine metode merenja. Dodatna obrada podataka, povezivanje sa bazama podataka, izvoenje procesa merenja sa velike udaljenosti kroz web interfejs su samo neke mogunosti. Najznaajnija prednost je vizuelizacija podataka. Vizuelizacija podataka, odnosno mogunost njihove vizuelne analize i prezentacije predstavlja najbri put da se sagleda celokupna situacija, uoe problemi i pronau odgovarajua reenja. Reju, efikasnost se uveava vizuelizacijom.

Sve pomenute prednosti nedvosmisleno sugeriu primenu vizuelizacije u procesu uenja. Okruenje u kome se ovaj proces odvija je raunarska infrastruktura, te se ovakva edukativna metodologija naziva e-learning. U procesu uenja tehnikih i prirodnih nauka, neizbean je ek-sperimentalni rad u cilju razumevanja teorije, tako da e-learning dugo nije pruao dovoljan kvali-tet. Jedan od naina da se prevazie ovaj nedostatak je upotreba simulatora kao jezgra edukativ-nog softvera [4, 6]. Drugi pristup ovom problemu je realizacija raunarom integrisane laboratori-je [1, 11, 12]. Ovakav pristup objedinjuje dobre strane vizuelizacije i prednosti koje ima realan proces merenja.

Raunarom integrisana laboratorija za elektroniku je prvenstveno edukativni sistem. Predno-sti koncepta virtuelne instrumentacije su iskoriene za izvoenje laboratorijskih vebi iz elek-tronike na osnovnim studijama. Osnovni cilj je maksimalno uproavanje procesa merenja i sta-vljanje u prvi plan rezultata merenja, odnosno zakljuaka koji iz tih merenja proistiu, dok je sa-ma tehnika merenja stavljena u drugi plan. Pri tome je ostvaren kompromis izmeu jednostav-nosti merenja sa jedne, interakcije sa realnim fizikim objektima koji se analiziraju elektron-

1 UVOD

5

skim komponentama i kolima, kao i njihove percepcije, sa druge strane. Ovo ujedno predstavlja i najznaajniju prednost u odnosu na reenja sa primenom simulatora. Omoguen je i praktino neogranien broj varijacija merenja sa razliitim tipovima komponenti, vrednostima elemenata kola i uslovima merenja, sto je u sluaju simulacije teko ostvarljivo.

Drugi cilj je zatita kola, komponenti i instrumenata. Odgovarajue zatitne mere su imple-mentirane na softverskom nivou u okviru svakog pojedinanog virtuelnog instrumenta. Akvizi-cione kartice imaju realizovanu zatitu na hardverskom nivou.

Trei cilj je personalizacija i individualizacija. Virtuelni instrumenti omoguavaju i samostal-ni laboratorijski rad bez velike intervencije nastavnika ili demonstratora. Uloga asistenta je kon-trola procesa merenja i laboratorijskog rada, kao i provera znanja i spremnosti studenata za labo-ratorijski rad.

Raunari na kojima se izvode vebe su povezani u jedinstvenu mreu. Mrena infrastruktura omoguava centralizovanu administraciju, kontrolu izvoenja vebi, testiranje pripremljenosti i evidenciju prisutnosti. U ovakvom okruenju je omoguen i koncept uenja na daljinu (slika 1.1).

Integrisana laboratorija obuhvata veliki broj instrumenata realizovanih upotrebom akvizicio-

ne kartice i odgovarajueg softvera. Realizovani su virtuelni instrumenti koji imaju karakter tra-sera karakteristika poluprovodnikih i nelinearnih komponenti, trasera prenosnih karakteristika kola, osciloskopa, frekvencijskog analizatora, spektralnog analizatora i frekvencmetra.

Izvoenje vebi se svodi na pokretanje odgovarajueg programa virtuelnog instrumenta, kontrolu procesa merenja i notiranje rezultata merenja. Sve prethodno pomenute akcije izvode studenti jednostavnim manipulacijama u grafikom okruenju.

Laboratorijski rad je podeljen u tri ciklusa. Prvim ciklusom je obuhvaeno odreivanje stati-kih i dinamikih parametara poluprovodnikih i nelinearnih komponenti. Drugi ciklus obuhvata

Slika 1.1 Raunarom integrisana laboratorija za elektroniku

1 UVOD

6

odreivanje amplitudske karakteristike pojaavaa sa bipolarnim tranzistorom i FET-ovima, dvo-stepenog i diferencijalnog pojaavaa. U treem ciklusu analiziraju se linearna elektronska kola operacioni pojaava, oscilator, pojaava snage, usmera i stabilizator.

Virtuelni instrumenti koji ine raunarom integrisanu laboratoriju su predstavljeni u drugoj, treoj i etvrtoj glavi. U drugoj glavi e biti predstavljena realizacija (poglavlje 2.1 i 2.2) i upotreba virtuelnih instrumenata koji imaju karakter i funkciju trasera karakteristika poluprovodnikih komponenti. Bie predstavljene metode merenja karakteristika i karakteristini rezultati merenja karakteristika silicijumske, germanijumske, Schottky, Zener i LED diode (poglavlje 2.3), bipolarnih tranzistora (poglavlje 2.4), JFET i MOSFET tranzistora (poglavlje 2.5 i 2.6), kao i merenje tempera-turske zavisnosti karakteristika bipolarnog tranzistora (poglavlje 2.7).

Trea glava predstavlja razmatranje virtuelnih instrumenata koji imaju karakter i funkciju skalarnog mrenog analizatora. Bie predstavljen nain hardverske i softverske realizacije (po-glavlje 3.1 i 3.2) virtuelnih instrumenata i njihove primene pri odreivanju amplitudske karakteri-stike RC filtara (poglavlje 3.3), pojaavaa sa bipolarnim tranzistorom (poglavlje 3.4), pojaavaa sa MOSFET tranzistorom (poglavlje 3.5) i dvostepenog pojaavaa sa JFET tranzistorima (poglavlje 3.6).

U etvrtoj glavi su predstavljeni specifini virtuelni instrumenti za analizu razliitih elektron-skih kola, kao i rezultati dobijeni njihovom primenom u analizi. Analizirani su diferencijalni po-jaava (poglavlje 4.1), operacioni pojaava (poglavlje 4.2), oscilator (poglavlje 4.3), pojaava snage (poglavlje 4.4), usmera i stabilizator (poglavlje 4.5).

7

2 Odreivanje karakteristika i parametara poluprovodnikih komponenti

Osobine svih elektronskih kola zavise od karakteristika poluprovodnikih komponenata ugrae-nih u njih. Poznavanje karakteristika poluprovodnikih elemenata i njihovih karakteristinih sta-tikih i dinamikih parametara je iz tog razloga vano. Statike osobine komponenti se odreuju merenjem jednosmernih struja i napona. Dinamike osobine ovih komponenti se odreuju po-budom naizmeninim signalima malih amplituda, kao i merenjem odgovarajuih naizmeninih struja i napona.

U okviru ovog poglavlja predstavljeni su metodi i virtuelni instrumenti za odreivanje karak-teristika dioda i tranzistora [2]. Prvo se razmatraju karakteristike osnovnih poluprovodnikih elemenata dioda. Mogue je meriti i uporeivati parametre i karakteristike razliitih tipova di-oda: silicijumske diode, germanijumske diode, Schottky diode, Zener diode i LED diode. Mere se naponi i struje na direktno i inverzno polarisanom p-n spoju.

Odreuju se parametri i karakteristike bipolarnog tranzistora, JFET-a i MOSFET-a u aktivnom reimu rada. Ove komponente karakteriu tri terminala prikljuaka od kojih se jedan bira za zajedniki, tako da se ove komponente analiziraju kao etvoropoli. Analiziraju se u praksi naj-ee koriene konfiguracije aktivnih elemenata, konfiguracija sa zajednikim emitorom kod bipolarnog tranzistora, odnosno konfiguracija sa zajednikim sorsom kod JFET i MOSFET tranzis-tora. Snimaju se statike prenosne i izlazne karakteristike ovih tranzistora. Odreuje se uticaj temperature na statike karakteristike bipolarnog tranzistora, kao i temperaturska stabilizacija radne take povezivanjem emitorskog otpornika.

Prilikom odreivanja karakteristika i parametara neophodno je istai razliku izmeu karakte-ristika koju razliite poluprovodnike komponente imaju u odnosu na jednosmerne napone i struje i osobina koje ispoljavaju u odnosu na naizmenine signale malih amplituda, kao i nain polarizacije pojedinih poluprovodnikih elemenata.

Prethodno postavljeni zahtevi se mogu ispuniti upotrebom raunara, akvizicione kartice i implementacijom odgovarajuih virtuelnih instrumenata. Na ovaj nain je u prvi plan postavlje-no odreivanje karakteristika elemenata i komponenti, tako da ova grupa instrumenata ini vir-tuelni traser karakteristika poluprovodnikih i nelinearnih komponenti [8, 9].

2.1 Fizika realizacija trasera karakteristika komponenti Za realizaciju trasera karakteristika poluprovodnikih komponenti koriene su akvizicione kar-tice National Instruments NIDAQ PCI-6014 [18]. Kartice imaju 16 analogna ulaza, brzine semplova-nja 200kSampl/s, dva analogna izlaza brzine semplovanja 10kSampl/s, 8 digitalnih I/O kanala i dva

2 ODREIVANJE KARAKTERISTIKA I PARAMETARA POLUPROVODNIKIH KOMPONENTI

8

24-bitna, 20MHz brojaa/tajmera. Ulazna impedansa analognih kanala PCI-6014 kartice je 100G, to poveava preciznost merenja obezbeujui mali strujni ofset. Velika ulazna impedansa tako-e otklanja mnoge probleme koji se tipino susreu prilikom povezanja sa spoljnim mernim ko-lom. PCI-6014 kartica prua veliku tanost merenja sa mogunou detektovanja promene napo-na na analognom kanalu od 4V. Radi smanjenja greke prilikom semplovanja i digitalizacije, u karticu je ugraeno kolo za temperatursku stabilizaciju kako bi se eliminisale sistematske greke merenja koje nastaju usled zagrevanja komponenti. Kartica ima mogunost digitalnog okidanja. Digitalni I/O kanali su TTL i CMOS kompatibilni. Tanost merenja je prikazana u tabeli 2.1.

Akvizicione kartice se povezuju na PCI magistralu raunara. Za povezivanje se koristi SH68-

68-EP kabl i razvodni blok CB-68LP. Merna mesta na maketama koje predstavljaju merna kola su povezane na odgovarajue konektore bloka (slika 2.1).

Analogni ulazi kartice se mogu povezati na tri naina: sa jednim prikljukom bez referentne take (NRSE non-referenced single-ended), sa jednim prikljukom i referentnom takom (RSE referenced single-ended) i diferencijalno. U realizaciji je najee korien diferencijalni nain povezivanja (slika 2.2) radi eliminacije uma koji nastaje na liniji razvodni blok kartica i potis-

Tabela 2.1 Karakteristini parametri NI-PCI 6014 kartice

Apsolutna greka Relativna greka Nominalni opseg me-

renja % itanja um kvantiziranja (V) rezolucija (V)

pozitivni negativni 24 sata 1 godi-na

ofset (V) jedna

taka usrednje-

no

Temp. drift

(%/C)

Apsolutna greka pri punoj skali

(mV) jedna taka

usrednje-no

10 -10 0.0658 0.07 1897.5 933 82.4 0.001 8.984 1084.9 108.5

5 -5 0.0158 0.02 959.8 466.5 41.2 0.0005 2.003 542.4 54.2

0.5 -0.5 0.0658 0.07 115.8 56.2 5 0.001 0.471 66.3 6.6

0.05 -0.05 0.0658 0.07 31.4 31.4 3.1 0.001 0.069 40.4 4

Slika 2.1 Razvodni blok CB-68LP

2.1 FIZIKA REALIZACIJA TRASERA KARAKTERISTIKA KOMPONENTI

9

kivanje srednje vrednosti signala. Ovaj um iako mali, moe da utie na preciznost merenja kod malih veliina (inverzne struje zasienja germanijumske diode, na primer). Prilikom korienja diferencijalnog naina povezivanja, broj analognih kanala je ogranien na 8.

Prilikom ovakvog povezivanja ulazni signal se dovodi na pozitivni ulaz instrumentacionog pojaavaa na kartici (odnosno pozitivni ulaz jednog analognog kanala), a referentni signal na negativni ulaz. Ovakvim povezivanjem broj ulaznih analognih kanala je smanjen na osam. Radi veeg potiskivanja common-mode uma, moe se povezati otpornik izmeu referentne take (negativnog ulaza instrumentacionog pojaavaa na kartici) i mase. Vrednost otpornika je stoti-nu puta vea od ekvivalentne Thevenin-ove otpornosti kola izmeu taaka na kojima se vri me-renje. Mogua je i konfiguracija sa drugim otpornikom koji se vezuje izmeu mase i pozitivnog terminala analognog kanala, ime se ostvaruje neznatno bolje potiskivanje srednje vrednosti sig-nala, ali se unosi sistematska greka u merenje, jer se smanjuje napon koji se meri zbog redne veze otpornika. Masa instrumentacionog pojaavaa je ujedno i masa analognih izlaza kartice generatora signala.

Merenje struje (slika 2.3) se vri pretvaranjem u naponski signal pomou otpornika od 100. U cilju vee tanosti i preciznosti merenja, u realizaciji su korieni metal-film otpornici sa tole-rancijom od 1%. Imajui u vidu veliku ulaznu otpornost instrumentacionog pojaavaa, postie se dovoljna tanost ovakvom metodom merenja.

Analogni izlazi kartice (slika 2.4) su iskorieni kao generatori napona napajanja i pobudnih signala. Maksimalni jednosmerni izlazni napon koji je mogue generisati je 10V. Ovaj napon je

Slika 2.2 Diferencijalni nain povezivanja

Slika 2.3 Merenje struje diferencijalnom metodom


10

dovoljan za polarizaciju, napajanje makete i merenje statikih karakteristika poluprovodnikih komponenti.

Odgovarajui analogni ulazi i izlazi kartice su povezani na merna mesta na maketi specifi-nom kolu koje sadri komponentu ije se karakteristike mere. Ovakav koncept omoguuje lako odreivanje karakteristika i parametara komponenti. Akviziciona kartica zamenjuje klasine merne ureaje i generatore jednosmernih napona. Celokupan proces merenja se obavlja uz sof-tversku kontrolu, ime je mogunost oteenja komponenti sveden na minimum. Oteenje merne opreme u ovom sluaju raunara sa mrenom karticom je onemogueno samom kon-strukcijom kartice, kao i injenicom da u kolu nema nezavisnih izvora napona i struja.

2.2 Softverska realizacija trasera karakteristika komponenti

2.2.1 Konfiguracija kartice i drajvera Softverska komponenta trasera karakteristika je dvoslojna. Nii sloj sloj povezivanja podataka ini sistemski drajver koji upravlja hardverom kartice i obezbeuje odgovarajue aplikacione interfejse (API). National Instruments PCI-6014 kartice su podrane Traditional NI-DAQ i NI-DAQmx drajverima. Pri realizaciji trasera karakteristika su korieni NI-DAQmx drajveri koji po-dravaju DMA nain rada, konfiguraciju na nivou sistema i skup aplikacionih interfejsa koji omo-guavaju programiranje na visokom nivou [20]. Sva merenja se obavljaju preko virtuelnih kanala, koji predstavljaju skup parametara kao to su logiko ime kanala, realni fiziki kanal, ulazni ter-minalni konektori, tip merenja ili generisanja signala i skaliranje signala. Virtuelni kanali se mo-gu konfigurisati globalno na nivou sistema ili programski preko aplikacionog interfejsa. Kod NI-DAQmx drajvera mogue je izvriti agregaciju vie razliitih kanala u jedan proces (task) koji predstavlja merenje, odnosno generisanje signala (slika 2.5), pri emu e svi kanali imati isti nain akvizicije. Analogno kanalima, procesi se mogu kreirati globalno na nivou sistema, i preko apli-kacionog interfejsa programski.

Na slici 2.5 je prikazan primer konfiguracije jednog procesa sa jednim virtuelnim kanalom za akviziciju analognih signala. Logiko ime kanala je Voltage, nain povezivanja diferencijalni, a opseg merenja od 0 do 2V. Ulazni signal nije skaliran. U donjem delu prozora se podeavaju pa-rametri semplovanja i okidanja broj semplova, nain semplovanja, frekvencija semplovanja i tip takta. Mogue je izabrati interni ili eksterni izvor okidanja. Ovi parametri su identini za sve virtuelne kanale u okviru jednog procesa.

Slika 2.4 Analogni izlazi kartice

2.2 SOFTVERSKA REALIZACIJA TRASERA KARAKTERISTIKA KOMPONENTI

11

Svakom virtuelnom kanalu je asociran jedan fiziki kanal (slika 2.6).

Semplovani signal se moe proizvoljno skalirati. Ovakva operacija sa signalom omoguuje je-dnostavnu transformacije elektrinog signala dobijenog oitavanjem sa senzora u fiziku veliinu koja je pomou senzora merena. Za realizaciju merenja karakteristika je ova mogunost isko-

Slika 2.5 Podeavanja virtuelnog kanala

Slika 2.6 Fiziki kanali akvizicione kartice


12

riena kod merenja struje merni naponski signal u virtuelnom kanalu se transformie u struj-ni primenom linearne skale koja deli napon vrednou otpornosti od 100. Pored linearne skale, mogue je definisati polinomsku, tabelarnu i skalu sa odreenim granicama (slika 2.7).

Podeavanje parametara procesa i virtuelnih kanala za izlazne signale je slino. Kod izlaznih virtuelnih kanala nije omogueno skaliranje signala, tako da se obrade signala moraju izvriti na viem programskom nivou.

2.2.2 Implementacija softverske komponente trasera karakteristika Ponueni skup aplikacionih interfejsa omoguava jednostavnu programiranu akviziciju i generi-sanje signala. U sloju povezivanja podataka merene elektrine veliine se prezentuju kao podaci dostupni viem aplikacionom sloju. Nain realizacije konkretne aplikacije i dalja obrada podata-ka dobijenih akvizicijom je stvar izbora. U ponudi su razliiti softverski alati za realizaciju sof-tverskog dela sistema. Proizvoai akvizicione opreme isporuuju razvojna okruenja za realiza-ciju. National Instruments nudi niz softverskih alata za razvoj aplikacija. Softverski alati mogu biti samostalna radna okruenja, kao to je LABVIEW i LABWINDOWS/CVI, ili skup klasa, ACTIVEX i .NET komponenti za druga razvojna okruenja (pre svega Visual C++), kao to je Measurement Studio.

Softverska komponenta koja upravlja procesima merenja, obrauje podatke i prezentuje re-zultate je realizovan je u LABVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) raz-vojnom okruenju, koje omoguava jednostavnu vizuelnu izradu aplikacija virtuelnih instrume-nata [21]. Traser karakteristika poluprovodnikih i nelinearnih komponenti je skup nezavisnih aplikacija virtuelnih instrumenta. Svaka aplikacija je opredeljena jednoj komponenti ili grupi slinih komponenata.

Slika 2.7 Prikazane su razliite vrste skala: tabelarna (gore levo), polinomska (gore desno), linearna (dole levo) i skala sa odreenim granicama (dole desno)


13

Aplikacija virtuelnog instrumenta u principu ima sledee bitne elemente: interfejs ka sistem-skom drajveru akvizicione kartice (DAQ assistant), funkcije za manipulaciju i obradu signala (programiranih u G kdu) i korisniki interfejs (front panel). Interfejs ka sistemskom drajveru akvizicione kartice DAQ assistant prosleuje aplikaciji neobraene signale dobijene akvizici-jom realnih fizikih veliina, odnosno u sluaju generisanja signala, dobijene podatke od aplika-cije prosleuje drajveru (slika 2.8).

Svi parametri virtuelnih kanala se mogu kontrolisati preko DAQ assistant interfejsa program-ski. LABVIEW okruenje ima podrku za instrumente drugih proizvoaa u vidu Instrument Assis-tant-a, koji ima sline mogunosti kontrole. Interfejs prua mogunost merenja razliitih elek-trinih i drugih fizikih veliina koje se mogu senzorom transformisati u elektrine.

Funkcije za manipulaciju i obradu podataka se mogu podeliti u vie razliitih grupa: funkcije za elementarnu obradu numerikih podataka, stringova, nizova i zapisa, funkcije za obradu di-namikih podataka signala, funkcije za kontrolu toka programa, funkcije za povezivanje sa kontrolama, funkcije za komunikaciju, funkcije za rad sa fajlovima, bazama podataka, itd. Veliki broj funkcija se moe posmatrati kao virtuelni instrument nieg nivoa, tako da celokupna aplika-cija ima hijerarhijsku strukturu.

Korisniki interfejs je grafiki. Funkcija korisnikog interfejsa je da omogui kontrolu proce-sa merenja, definisanje parametara generisanih signala i predstavljanje dobijenih i obraenih si-gnala. Osim toga, prisutne su funkcije za kontrolu izvravanja aplikacije i dijalog za snimanje do-bijenih rezultata. Korisniki interfejs moe da sadri pored standardnih vizuelnih komponenti i druge ACTIVEX i .NET komponente.

Aplikacija sadri integrisani ACTIVEX i web server, ime je omogueno praenje i kontrola procesa merenja sa drugog raunara u mrei.

Aplikacije virtuelnih instrumenta su realizovane kao multithread aplikacije. Osnovni thread sadri funkcije za generisanje, akviziciju, obradu i prikazivanje signala. Generisanje signala je implementirano posebnim virtuelnim instrumentom modulom za generisanje jednosmernog napona koji se inicira iz osnovnog thread-a (slika 2.9). Modul za generisanje jednosmernog na-pona kontrolie napon na analognom izlazu akvizicione kartice. Vizuelne kontrole korisniku omoguavaju ukljuivanje jednosmernog napona na analognom izlazu akvizicione kartice i po-deavanje njegove vrednosti. Vrednost napona se moe zadati analogno okretanjem vizuelne kontrole i cifarski, upisivanjem odgovarajue vrednosti u polje. Izlazni podatak modula za gene-

Slika 2.8 DAQ assistant


14

risanje jednosmernog napona je dinamika promenljiva koja se dovodi na ulaz DAQ assistant-a, koji upravlja analognim izlazima akvizicione kartice. Na slici 2.9 je prikazana realizacija modula za generisanje jednosmernog napona u G kdu izvornom kdu LABVIEW okruenja, kao i grafi-ki interfejs. Mogu se uoiti sledei elementi blok dijagrama:

(1) minimalni napon koji se moe zadati, ovaj parametar se zadaje iz glavnog virtuelnog instrumenta (u primeru na slici 1V);

(2) maksimalni napon koji se moe zadati, ovaj parametar se zadaje iz glavnog virtuelnog instrumenta (u primeru na slici 0);

(3) vrednost jednosmernog napona, promenljiva koja se zadaje okretanjem kontrole ili numeriki upisivanjem vrednosti (u primeru na slici 0,7V) ;

(4) logika promenljiva kojom se ukljuuje generator; (5) logika promenljiva koju postavlja iz aplikacije virtuelnog instrumenta, postavlja izlazni

napon na inicijalnu vrednost jednaku nuli; (6) logika struktura u kojoj se izlazni napon postavlja na nulu ukoliko je generator

iskljuen ili je promenljiva (5) postavljena na logiko jedan; (7) kontrola promene napona; (8) kontrolna promenljiva koja sadri vrednost iz prethodne iteracije petlje; (9) izlazna logika promenljiva koja ukazuje na stanje generatora (ukljuen-iskljuen);

(10) funkcija prekidaa; (11) funkcija Simulate Signal za generisanja dinamike promenljive signala; (12) izlazni terminal sa koga se signal odvodi do DAQ assistant-a u aplikaciji virtuelnog

instrumenta.

Slika 2.9 Generator virtuelni instrument kojim se kontrolie generisanje jednosmernog napona na analognom izlazu akvizicione kartice. Levo je prikazana blok ema u LABVIEW okruenju, desno je prikazan

grafiki interfejs generatora sa kontrolama za ukljuivanje i odreivanje napona.


15

Minimalni (1) i maksimalni (2) napon koje je mogue generisati odreuju se u osnovnoj apli-kaciji, i specifini su za svaki virtuelni instrument i odreeno merenje. Generisani napon (3) se odreuje kontrolom u obliku potenciometra u granicama izmeu minimalnog i maksimalnog napona. Poetak i kraj generisanja napona zadaju se kontrolom u obliku prekidaa (4). Prilikom iskljuenja generatora ili osnovne aplikacije, napon se postavlja na nulu (6 i 10). Jednosmerni sig-nal se generie u glavnoj aplikaciji (12). Generator jednosmernog napona je virtuelni instrument nieg nivoa i ugraen je u glavni thread aplikacije. Dinamika promenljiva koji definie napon se definie pomou ugraene funkcije Simulate Signal (11) i prosleuje osnovnoj aplikaciji. Opcije funkcije Simulate Signal su prikazane na slici 2.10.

Ostale funkcije glavnog thread-a su specifine za svaki instrument i bie posebno razmatrane za svaki virtuelni instrument.

Funkcija drugog thread-a (slika 2.11) je generisanje izlaznog fajla sa izmerenim, obraenim i tabelarno predstavljenim podacima i njegovo snimanje u odabrani fajl od strane korisnika.

Na slici 2.11 je prikazan kd thread-a: (1) struktura za generisanje zaglavlja izvetaja na poetku izvravanja aplikacije; (2) logika promenljiva koja je jednaka true kada se prekine izvravanje glavne aplikacije;

Slika 2.10 Simulated Signal funkcija za generisanje dinamike promenljive

Slika 2.11 Sporedni thread za generisanje izvetaj


16

(3) beskonana petlja; (4) naslov tabele; (5) kontrola za upisivanje tabele u izvetaj; (6) struktura za generisanje tabele; (7) struktura za snimanje fajla. Na poetku izvravanja thread-a se generie zaglavlje izlaznog fajla izvetaja (1). U toku

merenja se sakupljaju podaci dobijeni akvizicijom i smetaju u tabelu. Popunjena tabela se sme-ta u izlazni fajl aktiviranjem kontrole (5), sa odgovarajuim zaglavljem (4). Na kraju izvravanja aplikacije (2) se snima fajl sa zadatom putanjom i ekstenzijom (7).

Snimljeni fajl sadri tabelarno formatirane podatke dobijene merenjem, kao i zaglavlje sa do-datnim informacijama vezanim za merenje. Fajl se snima u HTML formatu, tako da je mogue pregledati njegov sadraj pomou browser-a ili publikovati ga na web server.

2.3 Merenje karakteristika diode Prilikom odreivanja karakteristika diode potrebno je odrediti dve elektrine veliine, struju di-ode i napon na diodi. Za realizaciju ovih merenja potrebno je upotrebiti dva analogna ulazna ka-nala i jedan izlazni za generisanje napona polarizacije. Merno kolo za merenje karakteristike di-oda je prikazano na slici 2.12.

Izlazni analogni kanal akvizicione kartice je povezan za merno kolo na mestu promenljivog generatora za polarizaciju VG. Prvi akvizicioni analogni kanal je povezan za merno kolo na mestu voltmetra VD. Drugi kanal je vezan na mesto ampermetra ID, sa rednim otpornikom R=100, R=1%. Akvizicioni kanali kartice su povezani diferencijalnom metodom. Struja diode ID se odre-uje na osnovu pada napona na otporniku R. Mogua je i konfiguracija sa samo jednim akvizici-onim kanalom, pri emu se odreuje napon na diodi VD, a struja izraunava prema jednaini:

g ddV V

IR= (2.1)

Prilikom merenja karakteristika pri inverznoj polarizaciji diode, potrebno je postaviti vei ot-pornik R, reda veliine ~100k, kako bi se mogla meriti inverzna struja zasienja diode. Ovakvim

Slika 2.12 Merno kolo za merenje karakteristika diode

2.3 MERENJE KARAKTERISTIKA DIODE

17

metodom je mogue postii precizno merenje za struje reda veliine ~1A, ime je omogueno merenje struje pri inverznoj polarizaciji germanijumske diode. Napon generatora se moe me-njati u opsegu od -10V do +10V. Kako je ulazna otpornost analognih akvizicionih kanala, odnosno instrumentacionog pojaavaa velika, reda veliine ~100G, nije potrebno menjati konfiguraciju kola prilikom merenja struje pri inverznoj polarizaciji.

Grafiki kd trasera karakteristika dioda je prikazan na slici 2.13.

Osnovni elementi glavnog thread-a aplikacije su sledei: (1) numerike konstante koje odreuju maksimalni i minimalni napon generisanog signala,

odnosno napona polarizacije diode Vg; (2) modul za generisanje jednosmernog napona, postavljen kao virtuelni instrument nii u

hijerarhiji; (3) logika promenljiva kojom se prekida izvravanje aplikacije; (4) DAQ assistant interfejs ka analognim izlaznim kanalima kartice; (5) logika promenljiva za kontrolu akvizicije i prikaza podataka; (6) kontrola za biranje opsega izmerene struje; (7) DAQ assistant interfejs ka analognim akvizicionim kanalima kartice; (8) indikatori izmerenog napona Vd; (9) indikatori izmerene struje diode Id; (10) funkcija za generisanje tabele i prikazivanje tabelarnih podataka; (11) funkcija za generisanje grafika; Prilikom pokretanja aplikacije virtuelnog instrumenta, iz osnovne aplikacije se zadaju mak-

simalni i minimalni (1) jednosmerni napon generatora. Opseg jednosmernog napona generatora

Slika 2.13 Traser karakteristika poluprovodnikih dioda


18

je 10V, tako da je sa istom konfiguracijom kola mogue meriti karakteristike pri direktnoj i in-verznoj polarizaciji diode. Dinamika promenljiva koja odreuje napon, koju generie virtuelni instrument (2), dovodi se na ulaz DAQ assistant-a (4). Prekid izvravanja thread-a se kontrolie logikom promenljivom (3) koja se zadaje kontrolom korisnikog interfejsa. Logika promenljiva (5) kontrolie izvravanje procesa akvizicije podataka i njihovog prikazivanja.

Podaci dobijeni akvizicijom se prosleuju aplikaciji pomou DAQ assistant-a (7). Na osnovu zadatog opsega merenja (6), podaci se obrauju i prikazuju numeriki i analogno na grafikom interfejsu (7,8). Karakteristika komponente se predstavlja tabelarno (10) i grafiki (11).

Na slici 2.14 je prikazan grafiki interfejs virtuelnog instrumenta.

Slika 2.14 Grafiki interfejs virtuelnog instrumenta, tabelarni i grafiki prikaz podataka


19

Grafiki interfejs sadri kontrole izvravanja aplikacije, kontrole za manipulaciju podacima (tabelarni upis podataka), kontrole procesa merenja (generisanje napona i biranje opsega) i indi-katore izmerenih veliina.

2.3.1 Karakteristike silicijumske diode Dobijene merene vrednosti struje i napona silicijumske diode1 su prikazane u tabeli 2.2 i grafiki na slici 2.15.

Merenje karakteristike silicijumske diode je mogue samo pri direktnoj polarizaciji, jer nije mogue ostvariti dovoljnu tanost merenja inverzne struje silicijumske diode, koja je reda ~1nA. Na osnovu dobijenih podataka se mogu dobiti statiki i dinamiki parametri diode.

2.3.2 Karakteristike germanijumske diode Karakteristika germanijumske diode2 su prikazani u tabeli 2.3 i na slici 2.16.

1 Prikazani rezultati su za tip silicijumske diode 1N4003 2 Prikazani rezultati su za tip germanijumske diode AA113

Tabela 2.2 Karakteristika silicijumske diode

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vd (V) -4.00 -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.48

Id (mA) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.08 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Vd (V) 0.62 0.66 0.68 0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76

Id (mA) 1.49 3.38 5.39 7.53 9.68 11.72 14.21 16.53 19.02 21.65

Slika 2.15 Karakteristika silicijumske diode


20

Tabela 2.3 Karakteristika germanijumske diode

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vd (V) -4.00 -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.32

Id (A) -7.56 -7.42 -6.20 -5.90 -5.33 -4.87 -4.06 -3.22 0 0.85 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Vd (V) 0.49 0.61 0.73 0.83 0.93 1.02 1.11 1.20 1.28 1.36

Id (mA) 2.42 4.15 5.96 7.81 9.67 11.56 13.46 15.37 17.29 19.20

Slika 2.16 Karakteristika germanijumske diode pri direktnoj (gore) i inverznoj polarizaciji (dole)


21

2.3.3 Karakteristike Schottky diode Rezultati merenja karakteristike Schottky diode1 su prikazani u tabeli 2.4 i na slici 2.17. Karakteri-stika je merena pri inverznoj i direktnoj polarizaciji diode.

2.3.4 Karakteristike Zener diode Strujno-naponska karakteristika Zener diode2 pri inverznoj polarizaciji i Zenerovom proboju je prikazana u tabeli 2.5 i na slici 2.18.

1 Prikazani rezultati su za tip Schottky diode BYW29-200 2 Prikazani rezultati su za tip Zener diode ZX6.2

Tabela 2.4 Strujno-naponska karakteristika Schottky diode

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vd (V) -4.00 -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.42 Id (mA) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.39

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Vd (V) 0.47 0.49 0.51 0.52 0.52 0.53 0.54 0.54 0.54 0.55 Id (mA) 2.50 4.76 7.05 9.36 11.66 13.97 16.28 18.58 20.87 23.16

Slika 2.17 Strujno-naponska karakteristika Schottky diode

Tabela 2.5 Strujno-naponska karakteristika Zener diode

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vd (V) 0.71 0.66 0.00 -1.00 -1.50 -2.00 -3.00 -4.00 -4.50 -5.07 Id (mA) 11.73 3.31 0.00 0.00 -0.01 -0.01 -0.01 -0.02 -0.06 -0.29

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vd (V) -5.70 -6.01 -6.05 -6.06 -6.06 -6.07 -6.08 -6.09 -6.09 -6.10

Id (mA) -1.94 -8.76 -14.15 -14.16 -16.01 -18.86 -21.71 -24.55 -27.34 -29.90


22

2.3.5 Karakteristike LED diode Izmerena strujno-naponska karakteristika LED diode1 je prikazana tabelarno u tabeli 2.6 i grafiki na slici 2.19.

1 Prikazani rezultati su za tip LED diode R50

Slika 2.18 Karakteristika Zener diode

Slika 2.19 Karakteristika LED diode

2.4 MERENJE KARAKTERISTIKA BIPOLARNIH TRANZISTORA

23

2.4 Merenje karakteristika bipolarnih tranzistora Prilikom odreivanja karakteristika bipolarnog tranzistora koriena je konfiguracija u kojoj se najee primenjuje bipolarni tranzistor konfiguracija sa zajednikim emitorom. Potrebno je odrediti etiri veliine; kod ove konfiguracije struja baze IB i napon izmeu baze i emitora VBE predstavljaju ulazne veliine, a kolektorska struja IC i napon izmeu kolektora i emitora VCE izlaz-ne. Odreuju se ulazne zavisnost struje baze od napona izmeu baze i emitora i izlazne ka-rakteristike bipolarnog tranzistora zavisnost kolektorske struje od napona izmeu kolektora i emitora u aktivnom reimu rada.

Za realizaciju merenja potrebno je upotrebiti dva analogna ulazna kanala akvizicione kartice i dva izlazna kanala za generisanje napona VBB i VCC. Merno kolo za merenje karakteristika bipolar-nih tranzistora je prikazano na slici 2.20.

Analogni ulazni akvizicione kartice su povezani na mestima voltmetara VBE i VCE. Ovi naponi se odreuju direktnim merenjem. Struje IB i Ic se odreuju prema jednainama:

BB BEBB

V VIR= (2.2)

CC CECC

V VIR= (2.3)

gde otpornici RB i RC imaju vrednosti 100k i 1,5k, respektivno, sa tolerancijom od 1%.

Tabela 2.6 Karakteristika LED diode

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vd (V) -4.00 -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50

Id (mA) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.01

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Vd (V) 1.00 1.49 1.72 1.80 1.86 1.92 1.96 2.00 2.04 2.08

Id (mA) 0.01 0.04 1.37 3.38 5.49 7.66 9.85 12.07 14.30 16.52

Slika 2.20 Kolo za merenje karakteristika bipolarnog tranzistora


24

Merno kolo (slika 2.20) se koristi za odreivanje karakteristika NPN i PNP tranzistora. Sva ra-zmatranja vezana za merenje karakteristika tranzistora su identina za oba tipa, sa jedinom raz-likom u polarizaciji napona generatora. Za merenje karakteristika NPN tipa naponi VBB i VCC su u opsegu od 0 do +5V, i 0 do +10V, respektivno. Za merenje karakteristika PNP tipa navedeni naponi su u opsegu od -5V do 0, odnosno -10V do 0.

Grafiki kd aplikacije virtuelnog instrumenta je prikazan na slici 2.21.

Aplikacija virtuelnog instrumenta se sastoji od sledeih elemenata: (1) kontrola za izbor tipa tranzistora; (2) kontrola izvravanja aplikacije; (3) generator jednosmernog napona VCC; (4) generator jednosmernog napona VBB; (5) DAQ assistant za kontrolu izlaznih analognih kanala; (6) DAQ assistant za kontrolu akvizicionih analognih kanala; (7) kontrola za prikazivanje vrednosti struje IB; (8) kontrola za prikazivanje vrednosti napona VBE; (9) kontrola za prikazivanje vrednosti napona VCE; (10) kontrola za prikazivanje vrednosti struje IC; (11) kontrola za grafiko prikazivanje karakteristika; (12) kontrola za tabelarno prikazivanje izmerenih veliina. Na osnovu zadatog tipa tranzistora (NPN ili PNP) (1), odreuju se maksimalne i minimalne

vrednosti generisanih jednosmernih napona VBB i VCC (3,4). Dinamika promenljiva koja definie jednosmerni napon se prosleuje DAQ assistant-u (5) koji kontrolie analogne izlaze kartice. Vre-dnost napona VBE i VCE se dobijaju akvizicijom sa analognih ulaza kartice i prosleuju virtuelnom instrumentu preko DAQ assistant-a (6). Naponi VBE i VCE se prikazuju na analognom i cifarskom

Slika 2.21 Traser karakteristika bipolarnog tranzistora grafiki kd


25

indikatoru (8,9). Struje IB i IC se izraunavaju na osnovu jednaina (2.2) i (2.3), i prikazuju na indi-katorima (7,10). Sve izmerene i izraunate veliine se prikazuju grafiki (11) i tabelarno (12).

Grafiki interfejs virtuelnog instrumenta za merenje karakteristika bipolarnih tranzistora je prikazan na slici 2.22.

Grafiki interfejs sadri kontrole izvravanja aplikacije, kontrole za manipulaciju izmerenim vrednostima (tabelarni upis podataka), kontrole procesa merenja (generisanje napona i biranje tipa tranzistora) indikatore izmerenih veliina i grafiki prikaz karakteristika.

2.4.1 Ulazne karakteristike NPN tranzistora Ulazne karakteristike NPN tranzistora1 se mere pri konstantnim vrednostima napona VCE=0 i VCE=5v. Izmerene vrednost napona VBE i struje baze IB su tabelarno prikazane u tabeli 2.7.

1 Prikazani rezultati su za tip tranzistora BC107A

Slika 2.22 Grafiki interfejs virtuelnog instrumenta za merenje karakteristika bipolarnog tranzistora tabelarno prikazivanje izmerenih veliina

Tabela 2.7 Ulazna karakteristika NPN tranzistora VCE=0 (gore) i vCE=5V (dole)

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VBE (V) 0.20 0.38 0.41 0.43 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.50

IB (A) 0.00 1.18 2.90 5.65 7.53 10.39 12.30 15.19 17.13 20.05 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VBE (V) 0.50 0.51 0.51 0.52 0.52 0.53 0.53 0.53 0.54 0.54

IB (A) 21.99 24.93 26.89 29.82 31.79 34.74 36.71 39.67 41.64 44.61

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VBE (V) 0.00 0.20 0.49 0.57 0.60 0.61 0.62 0.62 0.63 0.63

IB (A) -0.02 -0.01 0.07 1.33 4.04 5.94 8.83 10.78 13.72 15.69 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VBE (V) 0.64 0.64 0.64 0.64 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65

IB (A) 18.65 20.63 23.59 25.57 28.55 30.53 33.52 35.50 38.48 41.47


26

Na slici 2.23 su grafiki prikazane ulazne karakteristike tranzistora.

2.4.2 Izlazne karakteristike NPN tranzistora Izlazne karakteristike NPN tranzistora su merene za konstantne vrednosti struje baze IB=10A, IB=20A i IB=30A. Napon VCE se menja u opsegu od 0 do 10V. Dobijene izmerene vrednosti su pri-kazane u tabeli 2.8.

Slika 2.23 Ulazne karakteristike NPN tranzistora

Tabela 2.8 Izmerene vrednosti struje IC u funkciji napona VCE za konstantne vrednosti struje baze IB=10A, IB=20A i IB=30A

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VCE (V) 0.02 0.12 0.17 0.20 0.25 0.31 0.52 0.72 1.02 1.22IC (mA) 0.01 0.05 0.22 0.33 0.50 0.60 0.65 0.66 0.66 0.66



merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UCE (V) 2.48 2.98 3.47 3.97 4.47 4.97 5.46 5.96 6.46 6.95IC (mA) 1.34 1.34 1.35 1.35 1.35 1.35 1.36 1.36 1.36 1.37




27

Familija izlaznih karakteristika je prikazana na slici 2.24.

2.4.3 Ulazne karakteristike PNP tranzistora Ulazne karakteristike PNP tranzistora1 se mere pri konstantnim vrednostima napona VCE=0 i VCE=-5v. Izmerene vrednost napona VBE i struje baze IB su prikazane u tabeli 2.9.

Na slici 2.25 je prikazana familija ulaznih karakteristika. Karakteristike su prikazane u treem

kvadrantu.

1 Prikazani rezultati su za tip tranzistora BC177B

Slika 2.24 Izlazne karakteristike NPN tranzistora

Tabela 2.9 Izmerene vrednosti struje IB u funkciji napona VBE ulazne karakteristike PNP tranzistora za konstantne vrednosti napona VCE=0 i VCE=-5V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VBE (V) 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.39 -0.46 -0.50 -0.52 -0.53 -0.55IB (uA) 0.00 -0.01 -0.01 -0.02 -0.10 -0.42 -1.04 -1.81 -2.65 -3.54

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VBE (V) -0.56 -0.56 -0.57 -0.58 -0.58 -0.59 -0.59 -0.59 -0.60 -0.60IB (uA) -4.44 -5.36 -6.30 -7.24 -8.19 -9.14 -10.11 -11.07 -12.03 -13.00

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VBE (V) 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.49 -0.56 -0.59 -0.61 -0.63IB (uA) 0.00 0.00 0.00 0.00 -0.01 -0.07 -0.40 -1.07 -1.87 -2.74

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VBE (V) -0.64 -0.64 -0.65 -0.66 -0.66 -0.66 -0.67 -0.67 -0.68 -0.68IB (uA) -3.64 -4.56 -5.50 -6.44 -7.39 -8.35 -9.31 -10.28 -11.25 -12.22


28

2.4.4 Izlazne karakteristike PNP tranzistora Izlazne karakteristike PNP tranzistora su merene pri konstantnoj struji baze IB=10A, IB=20A i IB=30A. Napon VCE se menja u opsegu od 10V do 0. Dobijene izmerene vrednosti su prikazane u tabeli 2.10.

Familija izlaznih karakteristika PNP tranzistora je prikazana na slici 2.26.

Slika 2.25 Familija ulaznih karakteristika PNP tranzistora za konstantne vrednosti napona UCE=0 i UCE=-5V

Tabela 2.10 Izmerene vrednosti kolektorske struje IC u funkciji napona VCE pri konstantnoj struji baze IB=10A, IB=20A i IB=30A

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VCE (V) -0.01 -0.06 -0.10 -0.15 -0.21 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 -0.70

IC (mA) -0.01 -0.02 -0.06 -0.10 -0.12 -0.13 -0.13 -0.13 -0.13 -0.13 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VCE (V) -0.80 -1.79 -2.79 -2.76 -4.75 -5.75 -6.74 -7.74 -8.73 -9.73

IC (mA) -0.13 -0.14 -0.14 -0.16 -0.17 -0.17 -0.17 -0.17 -0.18 -0.18

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VCE (V) -0.01 -0.05 -0.07 -0.09 -0.11 -0.13 -0.16 -0.22 -0.27 -0.35

IC (mA) -0.01 -0.03 -0.09 -0.14 -0.19 -0.25 -0.30 -0.32 -0.35 -0.36 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VCE (V) -0.45 -1.43 -2.42 -3.40 -4.37 -5.35 -6.33 -7.31 -8.29 -9.28

IC (mA) -0.37 -0.38 -0.39 -0.40 -0.42 -0.44 -0.45 -0.46 -0.47 -0.48

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VCE (V) -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.09 -0.10 -0.11 -0.13 -0.14 -0.25

IC (mA) -0.01 -0.04 -0.09 -0.15 -0.21 -0.27 -0.33 -0.38 -0.44 -0.43 merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VCE (V) -0.29 -1.05 -2.00 -2.94 -3.90 -4.86 -5.83 -6.81 -7.78 -8.75

IC (mA) -0.48 -0.63 -0.67 -0.71 -0.74 -0.76 -0.78 -0.80 -0.81 -0.83

2.5 MERENJE KARAKTERISTIKA I PARAMETARA JFET TRANZISTORA

29

2.5 Merenje karakteristika i parametara JFET tranzistora Karakteristike JFET tranzistora se mere u konfiguraciji sa zajednikim sorsom. Ulazna veliina je napon izmeu gejta i sorsa VGS, a izlazne veliine su napon izmeu drejna i sorsa VDS i struja drej-na ID. Odreuju se prenosne zavisnost izlazne struje od ulaznog napona, i izlazne karakteristike zavisnost izlazne struje od izlaznog napona, kao i strmina tranzistora.

Slika 2.26 Familija izlaznih karakteristika PNP tranzistora

Slika 2.27 Kolo za merenje karakteristika JFET-a


30

Za realizaciju su upotrebljena dva analogna akviziciona kanala za merenje napona VDS i struje ID, i dva analogna izlazna kanala za generisanje napona VGG i VDD. Akvizicioni kanali su povezani diferencijalnim metodom. Na slici 2.27 je prikazano kolo za merenje karakteristika tranzistora.

Struja ID se moe odrediti i bez posebnog akvizicionog kanala, na osnovu vrednosti napona VDS i VGG, prema jednaini:

GG DSDD

V VIR= (2.4)

gde je RD otpornik u kolu drejna. Merenje strmine S se vri dinamiki, naizmeninim naponom vg. Signal se generie na analo-

gnom izlazu akvizicione kartice i superponiran se jednosmernom naponu VGG. Strmina S se odre-uje na osnovu jednaine

Dg

iSv

= (2.5)

gde iD predstavlja naizmeninu komponentu struje drejna. Naizmenini napon je amplitude 100mV i frekvencije 500Hz. Jednosmerni napon VGG se moe menjati u opsegu od 5V do 0, a napon VDD u opsegu od 0 do 10V.

Grafiki kd virtuelnog instrumenta je prikazan na slici 2.28.

Virtuelni instrument trasera karakteristika se sastoji od sledeih elemenata: (1) generator jednosmernog napona VGG; (2) generator jednosmernog napona VDD; (3) kontrola toka izvravanja aplikacije; (4) DAQ assistant za kontrolu izlaznih analognih kanala; (5) DAQ assistant za kontrolu akvizicionih analognih kanala; (6) kontrola za prikazivanje vrednosti struje ID; (7) kontrola za prikazivanje vrednosti napona VDS;

Slika 2.28 Traser karakteristika JFET tranzistora grafiki kd


31

(8) filtar i funkcija za odreivanje efektivne vrednosti struje iD; (9) kontrola za grafiko prikazivanje karakteristika; (10) kontrola za tabelarno prikazivanje izmerenih veliina. Moduli za generisanje ulaznih jednosmernih napona (1,2) obezbeuju jednosmerne napon

polarizacije VDD i VGG. Generator (1) generie i naizmenini napon vg prilikom merenja strmine. Generisanje ovih napona se vri preko DAQ assistant (4) interfejsa. Akvizicioni kanali kartice se kontroliu preko drugog DAQ assistant interfejsa (5). Akvizicijom dobijene vrednosti napona VDS i struje ID se prikazuju na analognim i cifarskim indikatorima grafikog interfejsa.

Grafiki interfejs trasera karakteristika JFET tranzistora je prikazan na slici 2.29.

Grafiki interfejs sadri kontrole izvravanja aplikacije, kontrole za manipulaciju izmerenim vrednostima (tabelarni upis podataka), kontrole procesa merenja (generisanje napona i biranje tipa tranzistora) indikatore izmerenih veliina i grafiki prikaz karakteristika.

2.5.1 Prenosne karakteristike JFET tranzistora Prenosne karakteristike JFET tranzistora1 se odreuju za konstantne vrednosti jednosmernog na-pona UDS=5V i UDS=8V. Dobijene vrednosti su prikazane u tabeli 2.11.

1 JFET tranzistor je n-kanalni BF245A

Slika 2.29 grafiki interfejs trasera karakteristika JFET tranzistora


32

Karakteristike su grafiki prikazane na slici 2.30.

2.5.2 Izlazne karakteristike JFET tranzistora Izlazne karakteristike JFET tranzistora se odreuju za konstantne vrednosti jednosmernog napo-na UGS=0, UGS=0.1V i UGS=0.3V. Dobijene vrednosti su prikazane u tabeli 2.12.

Tabela 2.11 Prenosne karakteristike JFET tranzistora za UDS=5V i UDS=8V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UGS (V) 0.00 -0.20 -0.50 -0.70 -1.00 -1.40 -1.50 -1.70 -2.00 -2.20 ID (mA) 1.10 0.56 0.09 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UGS (V) -2.50 -2.70 -3.00 -3.20 -3.50 -3.70 -4.00 -4.20 -4.50 -4.70 ID (mA) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UGS (V) 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80 -1.00 -1.20 -1.50 -1.80 -2.00 ID (mA) 1.17 0.61 0.22 0.04 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UGS (V) -2.20 -2.50 -2.70 -3.00 -3.20 -3.50 -3.70 -4.00 -4.20 -4.50 ID (mA) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Slika 2.30 Prenosne karakteristike JFET tranzistora


33

Familija izlaznih karakteristika je prikazana na slici 2.31.

Tabela 2.12 Izlazne karakteristike JFET tranzistora pri UGS=0, UGS=0.1V i UGS=0.3V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UDS (V) 0.00 0.13 0.35 0.52 0.79 0.98 1.27 1.47 1.76 1.96 ID (mA) 0.00 0.28 0.59 0.72 0.83 0.87 0.91 0.93 0.96 0.97

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

UDS (V) 2.26 2.45 2.75 2.95 3.24 3.44 3.74 3.94 4.23 4.43 ID (mA) 0.99 1.00 1.02 1.02 1.04 1.04 1.06 1.06 1.07 1.08

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UDS (V) 0.00 0.15 0.40 0.60 0.85 1.00 1.35 1.50 1.85 2.00 ID (mA) 0.00 0.24 0.47 0.55 0.62 0.64 0.67 0.68 0.70 0.71

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UDS (V) 2.30 2.50 2.80 3.00 3.30 3.50 3.80 4.00 4.30 4.50 ID (mA) 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.78 0.79 0.79

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UDS (V) 0.00 0.20 0.45 0.65 0.95 1.15 1.45 1.65 1.95 2.15 ID (mA) 0.00 0.14 0.22 0.24 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.30


Slika 2.31 Izlazne karakteristike JFET tranzistora


34

2.5.3 Merenje strmine JFET tranzistora Strmina JFET tranzistora se meri za naizmenini napon uGS=100mV, f=1kHz, pri konstantnom jed-nosmernom naponu VDS=7V i naponu VGS koji se menja u opsegu od 0 do 5V. Strmina se odreuje prema formuli (2.5). Rezultati dobijeni merenjem su prikazani u tabeli 2.13. U tabeli su prikazane vrednosti jednosmernog napona VGS, efektivne vrednosti naizmenine komponente struje drejna iD i strmine S.

Na slici 3.32 je prikazana zavisnost strmine u funkciji napona VGS.

2.6 Merenje karakteristika i parametara MOSFET tranzistora Karakteristike MOSFET tranzistora se mere u konfiguraciji sa zajednikim sorsom. Ulazna veliina je napon izmeu gejta i sorsa VGS, a izlazne veliine su napon izmeu drejna i sorsa VGS i struja drejna ID. Odreuju se prenosne zavisnost izlazne struje od ulaznog napona, kao i izlazne kara-kteristike zavisnost izlazne struje od izlaznog napona i strmina tranzistora.

Tabela 2.13 Izmerene vrednosti strmine za uGS=100mV, f=1kHz i VDS=7V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VGS (V) 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 -0.70 -0.80 -0.90 iD (mA) 0.43 0.39 0.38 0.33 0.32 0.26 0.24 0.20 0.18 0.15 S (mS) 4.34 3.89 3.79 3.33 3.17 2.61 2.41 2.05 1.84 1.52

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VGS (V) -1.00 -1.10 -1.20 -1.30 -1.40 -1.50 -1.50 -2.30 -3.30 -4.30 iD (mA) 0.12 0.08 0.05 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 S (mS) 1.15 0.82 0.49 0.23 0.08 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

Slika 2.32 Strmina JFET tranzistora

2.6 MERENJE KARAKTERISTIKA I PARAMETARA MOSFET TRANZISTORA

35

Za realizaciju su upotrebljena dva analogna akviziciona kanala za merenje napona VDS i struje ID, i dva analogna izlazna kanala za generisanje napona VGG i VDD. Akvizicioni kanali su povezani diferencijalnim metodom. Na slici 2.33 je prikazano kolo za merenje karakteristika tranzistora.

Struja ID se moe odrediti i bez posebnog akvizicionog kanala, na osnovu vrednosti napona VDS i VGG, prema jednaini:

GG DSDD

V VIR= (2.6)

gde je RD otpornik u kolu drejna.

Merenje strmine S se vri dinamiki, naizmeninim naponom vg. Signal se generie na analo-gnom izlazu akvizicione kartice i superponiran se jednosmernom naponu VGG. Strmina S se odre-uje na osnovu jednaine

Dg

iSv

= (2.7)

gde iD predstavlja naizmeninu komponentu struje drejna. Naizmenini napon je amplitude 100mV i frekvencije 500Hz. Jednosmerni naponi VGG i VDD se mogu menjati u opsegu od 0 do 10V.

Grafiki kd virtuelnog instrumenta je prikazan na slici 2.34. Aplikacija virtuelnog instrumenta trasera karakteristika se sastoji od sledeih elemenata: (1) modul za generisanje jednosmernog napona VGG; (2) modul za generisanje jednosmernog napona VDD; (3) kontrola toka izvravanja aplikacije; (4) DAQ assistant za kontrolu izlaznih analognih kanala; (5) DAQ assistant za kontrolu akvizicionih analognih kanala; (6) kontrola za prikazivanje vrednosti struje ID; (7) kontrola za prikazivanje vrednosti napona VDS;

Slika 2.33 Kolo za merenje karakteristika MOSFET-a


36

(8) filtar propusnik visokih frekvencija i funkcija za odreivanje efektivne vrednosti struje iD; (9) kontrola za grafiko prikazivanje karakteristika; (10) kontrola za tabelarno prikazivanje izmerenih veliina.

Slika 2.34 Traser karakteristika MOSFET tranzistora grafiki kd

Slika 2.35 grafiki interfejs trasera karakteristika JFET tranzistora


37

Moduli za generisanje ulaznih jednosmernih napona (1,2) obezbeuju jednosmerne napon polarizacije VDD i VGG. Generator (1) generie i naizmenini napon vg prilikom merenja strmine. Generisanje ovih napona se vri preko DAQ assistant (4) interfejsa. Akvizicioni kanali kartice se kontroliu preko drugog DAQ assistant interfejsa (5). Akvizicijom dobijene vrednosti napona VDS i struje ID se prikazuju na analognim i cifarskim indikatorima grafikog interfejsa.

Grafiki interfejs trasera karakteristika JFET tranzistora je prikazan na slici 2.35. Grafiki interfejs sadri kontrole izvravanja aplikacije, kontrole za manipulaciju izmerenim

vrednostima (tabelarni upis podataka), kontrole procesa merenja (generisanje napona i biranje tipa tranzistora) indikatore izmerenih veliina i grafiki prikaz karakteristika.

2.6.1 Prenosne karakteristike MOSFET tranzistora Prenosne karakteristike MOFET tranzistora1 se odreuju za konstantne vrednosti jednosmernog napona UDS=5V i UDS=8V. Karakteristike su grafiki prikazane na slici 2.36.

Dobijene vrednosti su prikazane u tabeli 2.14.

1 MOSFET tranzistor je integrisani n-kanalni HCF4007UBE

Slika 2.36 Prenosne karakteristike MOSFET tranzistora

Tabela 2.14 Prenosne karakteristike MOSFET tranzistora za UDS=5V i UDS=8V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UGS (V) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50ID (mA) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.16 0.53 1.10 1.85 2.76 3.80

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UGS (V) 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50ID (mA) 4.95 6.20 7.55 8.96 10.44 11.97 13.54 15.10 16.67 18.21


38

2.6.2 Izlazne karakteristike MOSFET tranzistora Izlazne karakteristike MOSFET tranzistora se odreuju za konstantne vrednosti jednosmernog

napona UGS=5V, UGS=7V i UGS=10V. Familija izlaznih karakteristika je prikazana na slici 2.37.

Dobijene vrednosti su prikazane u tabeli 2.15.

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UGS (V) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50ID (mA) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.16 0.53 1.11 1.88 2.79 3.84

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UGS (V) 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50ID (mA) 5.01 6.27 7.62 9.04 10.52 12.05 13.58 15.23 16.88 18.61

Slika 2.37 Izlazne karakteristike MOSFET tranzistora

Tabela 2.15 Izlazne karakteristike MOSFET tranzistora pri UGS=5V, UGS=7V i UGS=10V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UDS (V) 0.00 0.31 0.63 0.97 1.33 1.73 2.18 2.65 3.15 3.64 ID (mA) 0.00 1.13 2.16 3.07 3.83 4.40 4.72 4.85 4.89 4.92


merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UDS (V) 0.00 0.17 0.35 0.53 0.72 0.91 1.12 1.33 1.55 1.79 ID (mA) 0.00 0.86 1.72 2.56 3.39 4.20 4.99 5.75 6.49 7.20



39

2.6.3 Merenje strmine MOSFET tranzistora Strmina MOSFET tranzistora se meri za naizmenini napon uGS=100mV, f=1kHz, pri konstantnom jednosmernom naponu VDS=7V i naponu VGS koji se menja u opsegu od 0 do 5V. Strmina se odre-uje prema formuli (2.7). Rezultati dobijeni merenjem su prikazani u tabeli 2.16. U tabeli su pri-kazane vrednosti jednosmernog napona VGS, efektivne vrednosti naizmenine komponente struje drejna iD i strmine S.

Na slici 3.38 je prikazana zavisnost strmine u funkciji napona VGS.

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10UDS (V) 0.00 0.23 0.47 0.71 0.95 1.20 1.46 1.72 1.99 2.27ID (mA) 0.01 1.55 3.06 4.55 6.02 7.45 8.85 10.20 11.52 12.77

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 UDS (V) 2.56 2.86 3.18 3.51 3.86 4.23 4.62 5.04 5.49 5.96ID (mA) 13.98 15.11 16.16 17.13 17.99 18.72 19.33 19.77 20.08 20.25

Tabela 2.16 Izmerene vrednosti strmine za uGS=100mV, f=1kHz i VDS=7V

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ugs (V) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.10 ID (mA) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 0.06 0.12 0.21 0.31 0.33 S (mS) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.03 0.12 0.25 0.42 0.62 0.67

merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ugs (V) 4.20 4.30 4.40 4.50 4.60 4.70 4.80 4.90 5.00 5.50 ID (mA) 0.36 0.38 0.41 0.43 0.45 0.48 0.51 0.53 0.56 0.70 S (mS) 0.71 0.76 0.81 0.86 0.91 0.96 1.01 1.07 1.12 1.40

Slika 2.38 Strmina MOSFET tranzistora


40

2.7 Merenje temperaturske zavisnosti karakteristika bipolarnog tranzistora Promena koncentracije slobodnih nosilaca usled promene temperature poluprovodnike kom-ponente bitno utie na njene elektrine osobine. Efekat je naroito izraen u promeni inverzne struje zasienja, koeficijenta strujnog pojaanja i napona na emitorskom spoju kod bipolarnih tranzistora. Ove pojave kumulativno utiu na poveanje kolektorske struje pri poveanju tempe-rature komponente.

Prilikom odreivanja karakteristika bipolarnog tranzistora1 u funkciji temperature koriena je konfiguracija sa zajednikim emitorom. Odreuju se etiri veliine: struja baze IB, napon izme-u baze i emitora VBE, kao ulazne veliine, kolektorska struja IC i napon izmeu kolektora i emito-ra VCE kao izlazne. Odreuju se prenosne karakteristike zavisnost struje kolektora od napona izmeu baze i emitora, kao i izlazne karakteristike bipolarnog tranzistora zavisnost kolektorske struje od napona izmeu kolektora i emitora u aktivnom reimu rada tranzistora.

Karakteristike se mere na sobnoj temperaturi (T0300K) i poveanoj temperaturi komponente (TS320K), sa prisustvom emitorskog otpornika RE=680 ili kratkim spojem izmeu emitora i ma-se. Temperatura komponente se menja spoljnim grejaem, koga napaja spoljni generator jedno-smernog napona.

Za realizaciju merenja su upotrebljena tri analogna ulazna kanala akvizicione kartice i dva iz-lazna kanala za generisanje napona VBB i VCC. Merno kolo za merenje karakteristika bipolarnih tranzistora je prikazano na slici 2.39.

Vrednosti otpornika u kolu su RB=100k, RC=91 i RE=680.

Naponi VBE i VCE, kao i struja IC se mere direktno, pomou akvizicionih kanala kartice. Struja IC se meri pomou anta od 100, tolerancije 1%. Struja IB se odreuje na osnovu jednaine

( )11BB BE C E

BB

V V I RI

R += (2.8)

1 Sva razmatranja u ovom odeljku se odnose na NPN bipolarni tranzistor BC107A.

Slika 2.39 Merno koro za odreivanje temperaturske zavisnosti karakteristika bipolarnog tranzistora

2.7 MERENJE TEMPERATURSKE ZAVISNOSTI KARAKTERISTIKA BIPOLARNOG TRANZISTORA

41

gde je koeficijent strujnog pojaanja bipolarnog tranzistora, koji se uzima kao kataloki poda-tak. Jednosmerni naponi VBB i VCC se prilikom merenja menjaju u opsegu od 0 do 10V.

Aplikacija virtuelnog instrumenta je prikazan na slici 2.40.

Osnovni elementi virtuelnog instrumenta su: (1) modul za generisanje jednosmernog napona VBB; (2) modul za generisanje jednosmernog napona VCC; (3) kontrola toka izvravanja aplikacije; (4) DAQ assistant za kontrolu izlaznih analognih kanala; (5) DAQ assistant za kontrolu akvizicionih analognih kanala; (6) kontrola za izbor emitorskog otpornika RE; (7) kontrola za prikazivanje vrednosti struje IB; (8) kontrola za prikazivanje vrednosti napona VBE; (9) kontrola za prikazivanje vrednosti napona VCE; (10) kontrola za prikazivanje vrednosti struje IC; (11) kontrola za grafiko prikazivanje karakteristika; (12) kontrola za tabelarno prikazivanje izmerenih veliina. Dinamika promenljiva koja definie jednosmerne napone VBB i VCC se prosleuje DAQ assis-

tant-u (4) koji kontrolie analogne izlaze kartice. Vrednost napona VBE i VCE, kao i struje IC se dobi-jaju akvizicijom sa analognih ulaza kartice i prosleuju virtuelnom instrumentu preko DAQ assis-tant-a (5). Naponi VBE, VCE i struja IC se prikazuju na analognom i cifarskom indikatoru (8,9 i 10). Struja IB se izraunava na osnovu jednaine (2.8), i prikazuje na indikatoru (7). Sve izmerene i iz-raunate veliine se prikazuju grafiki (11) i tabelarno (12).

Grafiki interfejs virtuelnog instrumenta za merenje karakteristika bipolarnih tranzistora je prikazan na slici 2.41.

Grafiki interfejs sadri kontrole izvravanja aplikacije, kontrole za manipulaciju izmerenim vrednostima (tabelarni upis podataka), kontrole procesa merenja (generisanje napona i izbor tipa

Slika 2.40 Grafiki kod aplikacije instrumenta za merenje karakteristika bipolarnog tranzistora pri promeni temperature i temperaturskoj stabilizaciji


42

tranzistora) indikatore izmerenih veliina i grafiki prikaz karakteristika. Na grafikom interfejsu se nalazi i kontrola za izbor emitorskog otpornika, odnosno kratkog spoja izmeu emitora tran-zistora i mase.

2.7.1 Prenosna karakteristika NPN tranzistora u funkciji temperature Prenosne karakteristike tranzistora su merene na temperaturi komponente od 25C i T>25C. Konfiguracija mernog kola je sa kratkim spojem izmeu emitora i mase, kao i otpornikom RE=680. Rezultati merenja su prikazani u tabeli 2.17.

Slika 2.41 Grafiki interfejs virtuelnog instrumenta za merenje karakteristika bipolarnog tranzistora u funkciji temperature tabelarno prikazivanje izmerenih veliina

Tabela 2.17 Prenosne karakteristike NPN tranzistora za UCE=5V; RE=0, T=25C (prva tabela), RE=680, T=25C (druga tabela), RE=0, T>25C (trea tabela), RE=680, T>25C (etvrta tabela)

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UBE (V) 0.00 0.50 0.63 0.65 0.66 0.67 0.67 0.67 0.68 0.68

IC (mA) 0.00 0.01 3.67 8.46 13.36 15.33 18.30 20.28 23.25 25.23merenje 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

UBE (V) 0.68 0.68 0.67 0.67 0.67 0.67 0.67 0.66 0.66 0.66

IC (mA) 28.22 30.25 33.29 34.30 35.32 36.33 37.34 38.36 39.37 40.38

merenje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 UBE (V) 0.00 0.50 0.61 0.63 0.64 0.64 0.65 0.65 0.65 0.66IC (mA) 0.00 0.03 3.85 5.75 8.64 10.59 13.53 15.50 18.46 20.43


2.7 MERENJE TEMPERATURSKE ZAVISNOSTI KARAKTERISTIKA BIPOLARNOG TRANZISTORA

43

Prenosne karakteristike tranzistora na razliitim temperaturama su prikazane na slici 2.42.

2.7.2 Izlazna karakteristika NPN tranzistora u funkciji temperature Izlazne karakteristike tranzistora su merene na temperaturi tranzistora od 25C i T>25C. Konfi-guracija mernog kola je sa kratkim spojem izmeu emitora i mase, kao i otpornikom izmeu ma-se i emitora RE=680. Rezultati merenja su prikazani u tabeli 2.18.





Slika 2.42 Prenosna karakteristika bipolarnog tranzistora na temperaturama 25C i 45C, emitor tranzistora je kratkospojen sa masom

Tabela 2.18 Izlazne karakteristike NPN tranzistora za IB=30A; RE=0, T=25C (prva tabela), RE=680, T=25C (druga tabela), RE=0, T>25C (trea tabela), RE=680, T>25C (etvrta tabela)




44

Prenosne karakteristike tranzistora na razliitim temperaturama su prikazane na slici 2.43.







Slika 2.43 Izlazna karakteristika bipolarnog tranzistora na temperaturama 25C i 45C, emitor tranzistora je kratkospojen sa masom

45

3 Odreivanje amplitudskih karakteristika filtara i tranzistorskih pojaavaa

U okviru ove glave predstavljeni su metodi i virtuelni instrumenti za merenje karakteristika pasi-vnih i aktivnih elektronskih kola: filtara i osnovnih tranzistorskih pojaavaa [2]. Pomenuta kola se posmatraju kao etvoropoli, pri emu se mogu definisati ulazne i izlazne veliine struje i na-poni. Najznaajnije karakteristike ovih kola su prenosne karakteristike i prenosne funkcije po-jaanja. Vre se merenja naponskog pojaanja u funkciji frekvencije pobudnog signala u opsegu od 0 do 1MHz.

Prvo e biti razmatrane amplitudske karakteristike RC filtara u konfiguracijama propusnika niskih i visokih frekvencija. Predmet dalje analize e biti jednostepeni pojaava sa bipolarnim tranzistorom u konfiguracijama sa zajednikim emitorom i zajednikim kolektorom, zatim jed-nostepeni pojaava sa MOSFET tranzistorom u konfiguracijama sa zajednikim sorsom i zajedni-kim drejnom, i na kraju, dvostepeni pojaava sa JFET tranzistorima u konfiguraciji sa zajedni-kim sorsom.

Za izvoenje navedenih merenja je neophodno realizovati generator pobudnog sinusoidalnog signala i voltmetar za irok opseg frekvencija. Ovi instrumenti se mogu implementirati upotre-bom raunara, akvizicione kartice, dodatnog hardvera, odnosno implementacijom odgovarajuih virtuelnih instrumenata. Ovakav sistem predstavlja virtuelni skalarni mreni analizator [10].

Skalarni mreni analizator je realizovan na dva naina: pomou PCI-6014 i PCI-6251 kartica. Kartice imaju razliite brzine semplovanja, tako da su primenjeni razliiti metodi realizacije ska-larnog mrenog analizatora. U prvom sluaju su primenjeni izdvojeni generator i voltmetar, kontrolisani akvizicionom karticom, u drugom sluaju je primenjen undersampling metod.

3.1 Fizika realizacija skalarnog mrenog analizatora

3.1.1 Realizacija primenom izdvojenog generatora i voltmetra Brzina semplovanja analognih ulaza PCI-6014 akvizicione kartice je 200kSampl/s, a brzina generisa-nja semplova 10kSampl/s, to ograniava maksimalnu frekvenciju signala koji se meri na 100kHz i signala koji je mogue generisati na 5kHz [18]. Merni frekventni opseg je povean primenom izd-vojenog generatora sinusnog signala i voltmetra.

Izdvojeni generator i voltmetar nisu nezavisni instrumenti. Generator stvara naizmenini si-gnal frekvencije i amplitude odreene jednosmernim naponom koji generie akviziciona kartica. Voltmetar pretvara izmereni naizmenini signal u jednosmerni napon jednak efektivnoj vredno-sti naizmeninog signala. Akviziciona kartica vri merenje jednosmernog napona. Frekventni

3 ODREIVANJE AMPLITUDSKIH KARAKTERISTIKA FILTARA I TRANZISTORSKIH POJAAVAA

46

opseg u kome je mogue vriti merenje signala je odreen frekvencijom spoljnog generatora i propusnim opsegom voltmetra.

Izdvojeni generator je realizovan upotrebom XR-2206 integrisanog kola (slika 3.1). XR-2206 je integrisani funkcionalni generator sa mogunou generisanja napona sinusnog, pravougaonog i trougaonog talasnog oblika velike stabilnosti i tanosti [22]. Izlazni signal moe biti istovremeno frekventno i amplitudno modulisan spoljnim naponima. Za ovu primenu, frekvencija moe biti odreena spoljnim naponom u opsegu od 1Hz do 1MHz. Frekvenciju oscilatora je mogue linear-no menjati spoljnim naponom u opsegu od 1000:1.

Frekvencija generisanog signala Vgen je proporcionalna struji IT, koja tee kroz pin 7 integrisa-nog kola XR-2206, i moe se predstaviti empirijskom jednainom:

[ ][ ] [ ]320 TI mAf Hz

C F= (3.1) gde C predstavlja kapacitivnost kondenzatora izmeu pinova 5 i 6. Pin 7 je ulaz male impedanse i polarizovan je sa +3V u odnosu na pin 12. Frekvencija se menja linearno sa strujom IT, u irokom opsegu njenih vrednosti od 1A do 3mA. Ova struja je kontrolisana jednosmernim naponom Vfreq, generisanim na analognom izlazu akvizicione kartice, i moe se predstaviti jednainom:

( )2

1 1freqT DSS DST

VI I V

V = + (3.2)

Slika 3.1 Spoljni generator signala

3.1 FIZIKA REALIZACIJA SKALARNOG MRENOG ANALIZATORA

47

gde su UT, IDSS i konstante, i VDS=3V. Sledei jednaine (3.1) i (3.2), frekvencija oscilovanja genera-tora signala se moe predstaviti jednainom:

( )

[ ] [ ] [ ]2

320 1 1

2

freqDSS DS

T

VI VVf Hz

R k C F

+ = (3.3).

Frekventni opseg generatora se menja promenom kondenzatora izmeu pinova 5 i 6. Spoljni TTL signal koji generie kartica kontrolie rele ija je uloga promena kondenzatora, odnosno fre-kventnog opsega generatora. Drajver relea je realizovan upotrebom bipolarnog tranzistora. Dio-da D postavljena paralelno kalemu relea ima zatitnu ulogu. Kada je signal Vrange na niskom nivou, struja koja protie kroz kalem relea IR je jednaka nuli tako da je rele otvoren. Kada je Vrange na vi-

sokom nivou, struja IR je jednaka CC CESR

V VR , gde je RR otpornost kalema relea, i rele je zatvoren.

U prvom sluaju, ukupna kapacitivnost izmeu pinova 5 i 6 je C1, a u drugom C1+C2. Amplituda generisanog signala zavisi od otpornika R3 i napona Vamp, slika 3.2. Napon Vamp je

jednosmerni napon koga generie akviziciona kartica.

Otpornik R3 ima vrednost 50k, tako da je maksimalna vrednost amplitude generisanog na-pona Vmax=3V. Amplituda zavisi od napona Vamp linearno:

0.75gen ampV V= (3.4). Voltmetar je realizovan kao punotalasni precizni usmera sa aktivnim NF filtrom (slika 3.3).

Prvi operacioni pojaava je punotalasni precizni usmera, predstavljen u radovima Millmana i Halkiasa [24]. Izlazni signal usmeraa je punotalasni signal sa jednosmernom komponentom VDC proporcionalnom efektivnoj vrednosti ulaznog naizmeninog signala VRMS:

/2

0

2 2 2 2 2sinT

RMSDC RMS

VV t dt VT T

= = (3.5) Drugi pojaava je deo aktivnog NF filtra, koji potiskuje naizmeninu komponentu usmerenog signala. Potenciometar R8 slui za kalibraciju voltmetra. Svi otpornici u kolu preciznog naizmeni-

Slika 3.2 Amplituda generisanog signala u funkciji otpornika R3 i jednosmernog napona Vamp


48

nog voltmetra su metal-film otpornici male tolerancije (1%). Operacioni pojaavai su deo inte-grisanog kola LM258. Preciznija kalibracija instrumenta se moe izvesti softverski.

Generator i voltmetar su integrisani na tampanoj ploi. Ploa ima klema konektore za ulaz-ne signale Vamp, Vfreq i Vrange, generisani naizmenini signal Vgen, signal koji se meri Vin i jednosmerni izlazni signal Vout. Vamp i Vfreq su vezani za analogne izlaze akvizicione kartice, Vrange za TTL digitalni izlaz kartice, Vout za analogni ulaz kartice, Vgen za ulaz kola koje se testira i Vin, za izlaz kola koje se testira (slika 3.4). Na tampanoj ploi postoje i konektori za napajanje VCC, VSS i masu.

Akviziciona kartica moe da obezbedi samo +5V/500mA, tako da je za napajanje generatora i voltmetra upotrebljen poseban 12V galvanski izolovani generator.

Analogni ulaz akvizicione kartice su povezani diferencijalnom metodom u cilju smanjenja uma i poveanja CMRR.

Slika 3.3 Voltmetar prvi operacioni pojaava funkcionie u konfiguraciji preciznog punotalasnog usmeraa, drugi u konfiguraciji NF filtra

Slika 3.4 Blok ema celokupnog sistema

3.2 SOFTVERSKA REALIZACIJA SKALARNOG MRENOG ANALIZATORA

49

3.1.2 Realizacija primenom undersampling metoda Prilikom realizacije skalarnog mrenog analizatora PCI-6251 karticom primenjen je undersam-pling metod. PCI-6251 kartica ima 16 analognih ulaza brzine semplovanja 1,25MSampl/s rezolucije 16 bita, dva analogna izlaza brzine semplovanja 2,8MSampl/s rezolucije 16 bita, 24 10MHz digitalna I/O kanala i dva 32-bitna 80MHz brojaa/tajmera [19]. Ulazna impedansa analognih kanala PCI-6251 kartice je 10G u odnosu na masu, impedansa analognih izlaza je 0,2. Strujni ofset analog-nih ulaza je 100pA. PCI-6251 kartica prua veliku tanost merenja sa mogunou detektovanja promene napona na analognom kanalu od 4V. Radi smanjenja greke prilikom semplovanja i digitalizacije, u karticu je ugraeno kolo za temperatursku stabilizaciju kako bi se eliminisale sis-tematske greke merenja koje nastaju usled zagrevanja komponenti. Kartica ima mogunost di-gitalnog trigerovanja. Digitalni I/O kanali su TTL i CMOS kompatibilni.

Akviziciona kartice se povezuje na PCI magistralu raunara. Kartica je povezana SH68-68-EP kablom za razvodni blok CB-68LP.

Analogni ulazi kartice su povezani diferencijalnom metodom za kolo ije se karakteristike mere u cilju eliminacije uma koji nastaje na liniji razvodni blok kartica i potiskivanje srednje vrednosti signala. Prilikom korienja diferencijalnog naina povezivanja, broj analognih kanala je ogranien na 8.

3.2 Softverska realizacija skalarnog mrenog analizatora Razmatranja vezana za konfiguraciju kartice i realizaciju softverske komponente skalarnog mre-nog analizatora su slina razmatranjima u poglavlju 2.2, tako da e u nastavku poglavlja biti predstavljene specifinosti i razlike.

Osnovni thread aplikacije sadri funkcije za generisanje, akviziciju, obradu signala i prikazi-vanje izmerenih vrednosti. Generisanje naizmeninog signala je implementirano posebnim vir-tuelnim instrumentom modulom za generisanje naizmeninog napona koji se poziva iz os-novnog thread-a (slika 3.5). Modul za generisanje naizmeninog napona kontrolie generisanje na analognim izlazima akvizicione kartice. Vizuelne kontrole korisniku omoguavaju ukljuiva-nje pobudnog napona i podeavanje njegove amplitude i frekvencije. Vrednosti amplitude i frek-vencije se mogu zadati analogno, okretanjem kontrole ili upisivanjem odgovarajue numerike vrednosti u polje. Izlaz generatora naizmeninog signala je dinamika promenljiva koja se dovodi na ulaz DAQ assistant-a, koji upravlja analognim izlazima akvizicione kartice. Grafiki interfejs modula prikazan je na slici 3.5.

Realizacija modula zavisi od primenjenog metoda.

Slika 3.5 Grafiki interfejs modula za generisanje naizmeninog napona


50

Funkcija pomonog thread-a je generisanje izlaznog fajla sa izmerenim, obraenim i tabelar-no predstavljenim podacima i njegovo snimanje u

racunarom integrisana laboratorija za elektroniku

Documents