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 nicht nur nach Datenblatt, sondern auch das spezielle Exemplar, das 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 viel 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.

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.

Abb.

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.

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

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.

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.

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.

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.

Datenblatt

Downloads

Anbindung des DUT

Die Anbindung des DUT's ist durchaus kritisch, insbesondere wenn er über Leitungen und eine Fassung angeschlossen wird. Je nach Bauteil und Arbeitspunkt der Messung baut man sich einen sehr hochfrequenten parasitären Oszillator mit dem DUT, bzw. in der Kombination mit der Treiberstufe für UD. Hier muss man Maßnahmen zur Dämpfung der hohen Frequenzen ergreifen. Diese sollten so nah wie möglich am DUT platziert werden. Hier ein Beispiel, mit dem ich gute Erfahrungen gemacht habe.

Beispiele für Messergebnisse

Hier sind einige Beispiele für Messergebnisse und ihre Darstellungen. Auffallend sind dabei kleine Welligkeiten in den Randbereichen der Diagramme. Diese entstehen durch das Prinzip der Messung und der daher notwendigen mathematischen Interpolation der Daten zur graphischen Darstellung. Den Kennlinienschreiber habe ich ursprünglich zum Matchen von Bauteilen entwickelt. Um das je nach Anwendung in verschiedenen definierten Arbeitspunktbereichen optimal machen zu können, messe ich von jedem Bauteil ein möglichst vollständiges Arbeitspunktfeld. Als Beispiel für einen 2SK170 Id,Ig = f(Uds,Ugs) mit 0<=Uds<=20V, -0.7V<=Ugs<=0.1V mit jeweils 50 Schritten. Also insgesamt bis zu 2500 Arbeitspunkte (Uds,Ugs,Id,Ig). Aus diesen Daten kann man über entsprechende mathematische Interpolation jede beliebige Darstellung generieren. Dabei kommt es aber, durch meine eingeschränkten Fähigkeiten in Sachen mehrdimensionaler, fehlerausgleichender Interpolation, zu kleinen Darstellungsfehlern. Der große Vorteil dieser Vorgehensweise aber, das mit so einem Datensatz auch zukünftige Wünsche erfüllt werden können, ohne die Bauteile neu zu messen. Dies ist besonders wertvoll, wenn man wie ich z.B. 400 2SK170 vermessen und später in verschiedenen Arbeitspunktfeldern matchen will.

	Z-Diode v/c diagram		Z-Diode v/c diagram
	JFET 2SK170 Kennlinienfeld		JFET 2SK170 Steuerkennlinen
	JFET 2SK170 Gateleckstrom		JFET J111 ohmscher Bereich
	BIP BD745 Kennlinen		BIP BD745 Stromverstärkung
	MOSFET IRFP240 Kennlinien		MOSFET IRFP240 Steuerkennlinien
	automatisches Matching 100 x 2SK170 best fit		Vofs matched pair 2SK170

HW-Änderungen nach .V02 (experimentell)

Nr.	Beschreibung	Grund	Funktionsgruppe
V02.01	U11 ersetzt R12	Verbesserung der Langzeitstabilität	Balancer
V02.02	C1 hinzu	Verbesserung der Stabilität	VD Power Stage
V02.03	C2 hinzu	Verbesserung der Stabilität	VG Power Stage