Kennlinenschreiber(1)

Anspruchsvolle Audiotechnik bedeutet auch das Wissen um die individuellen elektrischen Eigenschaften der verwendeten Bauteile. Der hier vorgestellte Kennlinenschreiber kann PC-gesteuert alle typischen diskrete Halbleiter vermessen und vollständige Kurven sowie typische Kennwerte anzeigen. Dabei arbeitet er mit einem leistungskompensierten Pulsmessverfahren, was thermische Fehler auf ein Minimum begrenzt.

Wer anspruchsvolle Audiotechnik betreiben will, der muß auch seine Bauteile kennen. Und das eben nichtnur nach Datenblatt, sondern auch das spezielle Exemplar, dass er verwenden will. Speziell für die Paarung von Bauteilen in einigen Baugruppen (Differenzverstärker, Stromspiegel, Parallelschaltungen von Leistungstransistoren ......) sollte man die zu paarenden Eigenschaften messen können. Am Beispiel eines Eingangsdifferenzverstärkers mit JFET's möchte ich das kurz erläutern. Die zu matchenden Eigenschaften sind die beiden Steuerkennlinien Id = f(Vgs,Vds). Im einfachsten Fall (und ich hab noch nichts anderes gesehen) wird von beiden Transistoren der Idss (also Id bei Vgs=0 und Vds=feste Spannung) und evtl. noch Vth gemessen. Dies sind zwei Punkte von einem Kennlinienfeld und das matching ist eine erste Annäherung, aber noch lange nicht perfekt. Würde man die kompletten Kennlinenfelder mit einem passenden Kennlinienschreiber aufnehmen, hätte man viele mehr Datenpunkte zu Verfügung und könnte das Matching deutlich verbessern. Z.B. nutze ich typischerweise zum paaren zweier 2SK170 je 2500 Datenpunkte. Nach einer Bewertung über kleinste Fehlerquadrate kann ich völlig sicher sein, dass die beiden Transistoren sich im gesamten gewünschtem Arbeitsbereich maximal ähnlich sind.

 

KennlinienschreiberArchitecture

Abb. Architektur des Kennlinienschreibers

Systemschaltbild mit Spannungsversorgung und Ground-Balancer

 Die Architektur des Kennlinienschreibers in ein konkretes hierarchisches Blockschaltbild umgesetzt. Der Groundbalancer erzeugt eine analoge Masse die auf 1/2 Vdd liegt.

KennlinienschreiberAbb.

DAC / ADC

Für die beiden DAC-Kanäle hab ich im ersten Schritt preiswert zu erwerbende (ebay ...) Module mit 12bit-Wandlern eingesetzt. Diese geben eine Ausgangsspannung vom 0 bis VDD aus. Diese wird über die OP's gefiltert, gepuffert und auf GNDA bezogen auf +-2,5V umgesetzt. Im Layout ist schon eine Erweiterung auf eigene (16bit) DAC's vorgesehen.

 

DAC DAC

Statt der MCP4725 Module können auch 16Bit DAC Module eingesetzt werden. Diese basieren auf einem LTC1655 und werden mit einer externen Referenz betrieben.

 

ModulDAC LT1655

 

DSC01400

DSC01399

 

Auch die 4 benötigten ADC-Kanäle sind mit fertigen Modulen realisiert. Die 16bit-Wandler sind auf 2 Bänke aufgeteilt, um 2 Wandlungen parallel durchführen zu können.

ADW ADW

 

VD Power Stage

Die VD Endstufe besteht aus einem Hochvolt OP LTC2057HV und einer Leistungsendstufe mit 2 komplementären Darlingtons. Das reicht für Ströme bis 2A und kann Ausgangsspannungen bis +-25V erzeugen. Die Spannungsverstärkung kann über ein Relais auf x1 oder x10 umgeschaltet werden. Gleichzeitig wird auch die Skalierung der rückgelesenen Spannung VDMeasOut angepasst.

 UD PowerStage UD PowerStage

VG Power Stage

Da ich auf geregelte, bipolare Stromquellen zur Generierung von Basisströmen verzichten wollte, habe ich zur Ansteuerung von Gate und Basis eine Spannungsquelle mit schaltbaren Serienwiderständen vorgesehen. Zur Bestimmung des Stromes messe ich die Spannung vor und nach dem Widerstand. Da zudem noch die Messbereiche der beiden Spannungsmessungen unabhängig voneinander umgeschaltet werden können, ergibt sich eine Bandbreite von 100mA für Bipolartransistoren bis zu einigen nA für Gateleckströme.

UG PowerStage UG PowerStage

 

Is Amp

Der Strom, der durch unseren Prüfling fließt, wird als Spannungsabfall über einen Shunt gegen Masse gemessen. Um nicht einen zu großen Einfluss auf die Spannung des Prüflings zu haben, werden die Shunts extrem niederohmig gewählt und mit maximal 20mV Spannungsabfall betrieben. Der Messbereich kann in 4 Stufen gewählt werden. 2A, 200mA, 20mA, 2mA bei Vollaussteuerung mit 16bit Auflösung sollte für alle Messaufgaben reichen. Die kleine Messspannung wird dann über einen chopperstabilisierten OP x100 auf den Messbereich der AD-Wandler verstärkt.

 

ISMeasAmp ISMeasAmp

 

Datenblatt

      min typ  max
Versorgungsspannung analog  Ub V  18  24  26
Versorgungsspannung digital  Ud V  10  12  14
Gatespannung  Vg V  -12    12
Gatestrom mA   -120   120
Drainspannung  Vg V  -20    20
Drainstrom  Id A  -2    2
           
           

 

Downloads

 

 Beschreibung  Tool  Link
 Schaltpläne  KiCAD, pdf  Prod01_Schaltplan.pdf
 Leiterplatte Fertigungsdaten  KiCAD, Gerber, Excellon  KlSr_FABDat_01.zip
 Bestückungsplan  KiCAD, pdf  Bestückungsplan
 Stückliste  KiCAD, txt  Kennlinienschreiber_BOM.txt
 Firmware für Arduino  Atmel Studio 7  HL-Kennlinienschreiber.elf
 Software für Windows  Visual Studio 2019  publish.zip
DAC Leiterplatte Fertigungsdaten  KiCAD, Gerber, Excellon ModulDAC_LTC1655 PCB Prod V1.02.zip
     

 

 Beispiele für Messergebnisse

 Z Diode IV Diagram

Z-Diode

v/c diagram

 Z Diode IV Diagram 2

Z-Diode

v/c diagram

 JFET 2SK170 Kennlinienfeld

JFET

2SK170

Kennlinienfeld

 JFET 2SK170 Steuerkennlinie

 JFET

2SK170

Steuerkennlinen

 JFET 2SK170 Gateleckstrom

 JFET

2SK170

Gateleckstrom

 JFET J111 ohmscher Bereich

JFET

J111

ohmscher Bereich

 BIP BD745 Kennlinien

BIP

BD745

Kennlinen

 BIP BD745 Stromverstaerkung

BIP

BD745

Stromverstärkung

 MOSFET IRFP240 Kennlinien

MOSFET

IRFP240

Kennlinien

 MOSFET IRFP240 Steuerkennlinien

MOSFET

IRFP240

Steuerkennlinien

 MatchErg

automatisches Matching

100 x 2SK170

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 JFET 2SK170 Match

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matched pair 2SK170

       
       

 

 

 


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