張馨少，楊路華，毛國(guó)華

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

某批次成熟的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)品交付用戶后，調(diào)試過(guò)程中個(gè)別產(chǎn)品出現(xiàn)了負(fù)輸出電壓幅度超差的故障。本文主要分析該故障現(xiàn)象，找出故障原因，采取措施杜絕該類(lèi)故障再次發(fā)生。

1 產(chǎn)品概述

該產(chǎn)品由九組獨(dú)立的電路組成，每組電路相同如圖1所示。其中由“INPUT”輸入控制信號(hào)，“OUTPUT”在控制信號(hào)作用下輸出具有一定驅(qū)動(dòng)能力的方波信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)整機(jī)上的負(fù)載。電路輸入電源電壓為5 V（4～6 V）和-12 V（-11～-13 V），輸入信號(hào)為周期420 ns，脈寬20 ns（VL=0.0 V，5.0 V≥VH≥3.0 V）的正脈沖。當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管T1截至，輸入電壓5 V通過(guò)電阻R4為三極管T2基極提供電流，T2導(dǎo)通，輸出為4 V左右的正輸出。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，T2基極通過(guò)導(dǎo)通的T1連接到-12 V輸入上，T2截至，此時(shí)輸出端通過(guò)二極管D1和三極管T1的集電極與發(fā)射極連接到-12 V，輸出電壓為-11 V左右。輸出電壓范圍為正輸出電壓≥3 V，負(fù)輸出電壓（絕對(duì)值）≥-9 V。

圖1 電路原理圖

2 故障描述和分析

該產(chǎn)品交付用戶后，用戶反饋其負(fù)輸出電平的測(cè)試結(jié)果在-7.5～-8.0 V之間，不滿足大于-9 V（絕對(duì)值）的要求。

2.1 故障產(chǎn)品出廠原因分析

收到故障產(chǎn)品后，使用專(zhuān)用測(cè)試臺(tái)對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)異常，其負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果均在-11～-11.5 V之間，對(duì)以前合格批次產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果也均在-11～-11.5 V之間，兩批產(chǎn)品的負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果無(wú)太大差異，均滿足技術(shù)要求。將產(chǎn)品拿到用戶處在整機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，其中故障產(chǎn)品負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果在-7.5～-8.0 V之間，指標(biāo)超出要求范圍，對(duì)以前合格批次產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果在-10.2～-10.8 V之間，指標(biāo)滿足要求。兩批產(chǎn)品在整機(jī)上的負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)明顯差異，且故障產(chǎn)品超出指標(biāo)要求范圍。

從兩次測(cè)試結(jié)果可知，在整機(jī)上測(cè)試和專(zhuān)用測(cè)試臺(tái)測(cè)試時(shí)，兩者之間測(cè)試結(jié)果有一定差異，整機(jī)板測(cè)試的輸出信號(hào)幅度較低。在整機(jī)上測(cè)試時(shí)，兩批產(chǎn)品有明顯區(qū)別，故障產(chǎn)品的輸出信號(hào)幅度比以前合格批次產(chǎn)品低。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，產(chǎn)品在整機(jī)上的工作狀態(tài)與專(zhuān)用測(cè)試臺(tái)上工作狀態(tài)的差異，主要是由于整機(jī)板產(chǎn)生的輸入信號(hào)和專(zhuān)用測(cè)試臺(tái)產(chǎn)生的輸入信號(hào)在上升沿時(shí)間上有較大區(qū)別，分別為4.6 ns和2 ns，整機(jī)板產(chǎn)生的輸入信號(hào)上升時(shí)間較長(zhǎng)。由于該路輸入信號(hào)脈沖寬度只有20 ns，當(dāng)輸入信號(hào)上升時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，有效脈沖寬度就相對(duì)減小，使得產(chǎn)品輸出幅度在未達(dá)到正常值時(shí)輸入信號(hào)就已改變，因此產(chǎn)品在整機(jī)上的測(cè)試結(jié)果相對(duì)在測(cè)試臺(tái)上測(cè)試時(shí)要小，兩者之間測(cè)試結(jié)果有一定差異。使用信號(hào)源模擬整機(jī)產(chǎn)生的輸入信號(hào)測(cè)試產(chǎn)品，負(fù)輸出電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果同整機(jī)板上測(cè)試相同。

故該故障產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)全套試驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)后作為合格品出廠的原因?yàn)榍捌陔p方對(duì)測(cè)試輸入條件約定不細(xì)致，造成在專(zhuān)用測(cè)試臺(tái)和整機(jī)上測(cè)試結(jié)果偏差較大，未能及時(shí)將不合格品識(shí)別出來(lái)從而流入到用戶處。

2.2 產(chǎn)品故障原因分析

在顯微鏡下將產(chǎn)品開(kāi)殼進(jìn)行檢查，但產(chǎn)品線路、焊點(diǎn)以及元器件外觀等方面均未發(fā)現(xiàn)異常。在整機(jī)產(chǎn)生的輸入信號(hào)下，對(duì)比分析兩只產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)將故障產(chǎn)品的前級(jí)三極管T1（FMMT2369A）更換為以前合格批次產(chǎn)品上所使用的三極管后，測(cè)試負(fù)輸出電平指標(biāo)由-7.5～-8.0 V升高到-10.2～-10.8 V，反復(fù)多次確認(rèn)故障復(fù)現(xiàn)。由此可以判斷出故障產(chǎn)品輸出負(fù)電壓幅值偏低的原因是該批次所使用的三極管性能上存在不足。

將兩批次三極管從采購(gòu)渠道、進(jìn)廠檢驗(yàn)、二篩以及試流等環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)比，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)兩者的差異，因此判斷其差異應(yīng)發(fā)生在未檢驗(yàn)項(xiàng)目上。三極管在進(jìn)廠檢驗(yàn)時(shí)主要測(cè)試了V(BR)CBO、V(BR)CEO、V(BR)CES、V(BR)EBO、VCE(sat)、VBE(sat)、hFE。三極管的指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 FMMT2369A產(chǎn)品指標(biāo)1

表2 FMMT2369A產(chǎn)品指標(biāo)2

將兩批三極管送往第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)做電性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩批三極管的放大倍數(shù)hFE和發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極與基極的反向電流ICBO兩項(xiàng)指標(biāo)有明顯差異，但滿足三極管指標(biāo)要求。兩批三極管電性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 兩批三極管電性能對(duì)比

由于主要是在放大倍數(shù)和發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極與基極的反向電流這兩項(xiàng)指標(biāo)上有差異，所以下面重點(diǎn)對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行分析，找到引起故障的真正原因。

2.2.1 放大倍數(shù)hFE

（1）理論分析。前級(jí)交流通路如圖2所示，電源電壓視為短路，電阻電容串并聯(lián)的阻抗為Z。

圖2 前級(jí)交流通路原理圖

|Z|=|(-j)/(2πfC1)+{(-j)*3300/(2πfC2)/(3300+(-j)/(2πfC2))}|≈7.4歐姆。

在輸入高電平信號(hào)下（VM=4 V）：

Ib=（VM-Vbe）/|Z|- Vbe/R3=(4-0.7)/7.4-0.7/1800≈440 mA。

根據(jù)表1可知，三極管T1的最大IC≈(5V+12 V)/91歐姆≈180 mA。

三極管的最小放大倍數(shù)為20，則三極管進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)時(shí)的基極電流Ib=180/20=9 mA。

從前式可知，該電路在高電平信號(hào)時(shí)具有提供440 mA基極電流的能力，遠(yuǎn)大于三極管進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)時(shí)的基極電流9 mA。因此在最小放大倍數(shù)下，三極管已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)，在更大的放大倍數(shù)下，三極管更容易的進(jìn)入飽和狀態(tài)，在飽和狀態(tài)下三極管的VCE幾乎不會(huì)再變化。產(chǎn)品負(fù)輸出電平的大小主要取決于三極管T1的VCE和二極管D1的壓降，二極管D1的壓降為恒定值，當(dāng)VCE也幾乎為恒定值時(shí)，VOH指標(biāo)不變。因此從理論上可排除放大倍數(shù)的原因。

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證。挑選合格批產(chǎn)品放大倍數(shù)分別為53和106的三極管，依次上到試驗(yàn)產(chǎn)品上，在整機(jī)產(chǎn)生的輸入信號(hào)下，測(cè)試負(fù)輸出電平指標(biāo)并無(wú)明顯變化，均為-10.5 V左右。然后挑選故障批產(chǎn)品放大倍數(shù)分別為56和100的三極管依次上到試驗(yàn)產(chǎn)品上，在整機(jī)產(chǎn)生的輸入信號(hào)下，測(cè)試負(fù)輸出電平指標(biāo)并無(wú)明顯變化，均為-8 V左右。由實(shí)驗(yàn)可知，在放大倍數(shù)有顯著差異的情況下，產(chǎn)品負(fù)輸出電平指標(biāo)并無(wú)明顯變化，因此從實(shí)驗(yàn)上可排除放大倍數(shù)的原因。

綜上所述，理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證均排除了放大倍數(shù)差異引起的產(chǎn)品故障。

2.2.2ICBO—發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極的反向電流

ICBO為發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極的反向電流。對(duì)于PN結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)在PN結(jié)上外加反向電壓后，PN結(jié)內(nèi)部空間電荷區(qū)變寬加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行加劇了漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，形成了反向電流。對(duì)于不同的PN結(jié)，在外加反向電壓相同的情況下，空間電荷區(qū)越寬反向電流越大，同時(shí)空間電荷區(qū)越寬勢(shì)壘電容也越大。勢(shì)壘電容的大小影響著三極管的開(kāi)關(guān)速度，ICBO越小，勢(shì)壘電容也越小，三極管速度也越快，三極管的下降沿和上升沿也就越陡峭，反之越緩慢。三極管FMMT2369A的導(dǎo)通時(shí)間為小于12 ns，關(guān)斷時(shí)間為小于18 ns，對(duì)于該產(chǎn)品由于輸入信號(hào)為20 ns的窄脈寬，其時(shí)間寬度與三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間接近，使得產(chǎn)品輸出在未達(dá)到最大值時(shí)輸入信號(hào)就已改變，此時(shí)三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間影響著產(chǎn)品輸出幅值的大小。因此ICBO的不同影響了三極管的開(kāi)關(guān)速度，從而影響了輸出負(fù)電平指標(biāo)的大小。

從這兩批三極管的ICBO對(duì)比可知，這兩批所用三極管ICBO此項(xiàng)數(shù)值均滿足≤25 nA的數(shù)據(jù)手冊(cè)要求，但故障批所使用的三極管ICBO是合格批所使用三極管ICBO的20～120倍，因此兩批三極管在下降上升時(shí)間上有明顯差異，從而影響負(fù)輸出電平指標(biāo)有明顯差異。

3 結(jié) 論

該批三極管（FMMT2369A）與之前供給的未出現(xiàn)異常的產(chǎn)品上使用的三極管參數(shù)ICBO存在差異，整體偏大，從而影響輸出負(fù)電平指標(biāo)，導(dǎo)致產(chǎn)品在整機(jī)上工作異常。為防止以后出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，在進(jìn)廠檢驗(yàn)時(shí)要求發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極的反向電流ICBO≤150 pA，且在IC=100 mA和VCE=1 V時(shí)hFE≥55，同時(shí)在測(cè)試該指標(biāo)時(shí)，用信號(hào)源模擬整機(jī)板產(chǎn)生的信號(hào)作為輸入信號(hào)，規(guī)定低電平最低點(diǎn)VOH3≥-11.5 V（絕對(duì)值），最高點(diǎn)VOH3≥-10.0V（絕對(duì)值）。

通過(guò)分析該驅(qū)動(dòng)電路負(fù)輸出電壓超差故障，更加深刻的理解了電路的工作原理，也同時(shí)提醒在設(shè)計(jì)時(shí)要計(jì)算準(zhǔn)確并驗(yàn)證到位，深入分析出現(xiàn)的個(gè)別現(xiàn)象找到根源，避免后期由于器件參數(shù)波動(dòng)引起的產(chǎn)品故障。