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简易半导体三极管参数测试仪.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.52M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    简易半导体三极管参数测试仪 唐晓庆 李刚 廖艳闺 摘要：本系统以单片机和 FPGA 为控制及数据处理核心，辅以可控双极性恒流源 电路、DAC 产生 VCE 电压电路、I/V 转换电路、AD 采样等主要功能电路，设计 并制作了一个小功率半导体三极管参数测试仪。实现了三极管的直流/交流放大 系数β、集电极-发射极反向饱和电流 ICEO、集电极-发射极间的反向击穿电压 V(BR)CEO 等参数的测量，测量误差优于 5%，并实现了三极管管脚插错、损坏指示 报警功能。采用 320*240 点阵型 LCD 液晶显示彩色触模屏显示测量参数，并能 显示三极管的共射极接法输入/输出特性曲线。 关键词：双极性恒流源 I/V 转换 Rb Vce Vce 一、方案论证与选择 题目分析:测试三极管各参数时，IB 和 VCE 并不是只为一个固定值，尤其是测量 输入/输出特性曲线和击穿电压时， IB 和 VCE 需要以一定步长逐渐变化。测试 NPN 和 PNP 两种不同型号的三极管时，给出的电压极性和基极电流极性相反。 因此需要设计可以程控调节的基极电流产生电路和 VCE 电压产生电路。 1、基极电流产生及控制方案 方案一：如图(a)所示，DAC 输出程控电压，ADC 采样电阻 Rb 上的电压，可以得出流过 Rb 的基极电流。调整 DAC 输 出电压，可以得到需要的基极电流。 方案二：如图(b)所示，设计一个输出电流受电压控 制的恒流源，控制电压由 DAC 输出。同样 ADC 采 样 Rb 上的电压，可以检测基极电流，并进行微调。 方案一基极电流会受到 VCE 变化而产生变化，此 时又需要通过不断进行 AD 采样和调整 DAC 输出电 压来调整基极电流，过程比较繁琐。方案二由恒流源给出稳定的基极电流，每一 个想要的基极电流值都对应 DAC 输出的一个电压值，调节方便，而且 ADC 可 以对基极电流进行精确校准。故采用方案二。 2、集射电压 Vce 产生及控制方案 恒流源 图(b) 图(a) ADC Rb ADC DAC DAC 测输出特性曲线时，VCE=0~12V，测击穿电压时，VCE 的范围至少为 20V~60V。 因此 VCE 产生电路必须可以实现以一定步进程控调节，而且电压范围大。 方案一：多倍压整流电路。倍压整流电路由电源变压器、整流二极管、倍压电容 和负载电阻组成。它可以输出高于变压器次级电压二倍、三倍或 n 倍的电压。 方案二：采用 DAC 输出电压，实现电压程控，然后经过高电压大电流运算放大 器芯片扩大电压范围。 方案一可以较容易的实现 60V 高电压输出，但电容充放电过程中电容电压有 波动，一般用于只适合高电压、小电流的场合，而且不方便电压程控。方案二电 路简单，控制也简单，关键在于高电压大电流运算放大器的选择。故采用方案二。 二、系统总体方案设计及系统总体框图 总体方案设计描述：由上述方案论证与选择已经知道了 VCE 和 IB 的产生及控 制。接下来通过 I/V 转换电路采样集电极电流 IC，由 IB 和 IC 可以得到直流或交 流放大系数β。通过继电器切断恒流源，使基极电流为 0，采样集电极电流，可
    以得到集电极-发射极反向饱和电流 ICEO。同理基极开路时，以一定步进增加 VCE， 采样集电极电流，当 IC 为 1mV 时，得到相应的 VCE 即为集电极-发射极间的反向 击穿电压 V(BR)CEO。以 VCE 为参变量，由 DAC 控制恒流源使基极电流以一定步进 增加，同时对 VBE 电压进行采样，可以得到三极管共射极接法的输入特性，并绘 制曲线。以 IB 为参变量，VCE 以一定步进增加，采样集电极电流，可以得到共射 极接法输出特性曲线。图 1 为系统总体框图。 图 1 系统总体框图 三、理论分析与计算 1、β、ICEO、V(BR)CEO 测量方案理论分析 1）直流电流放大系数β的测量分析。三极管共发射极直流电流传输方程为 β=(IC-ICBO)/(IB+ICBO)≈IC/IB，由于集电极反向饱和电流 ICBO 较小（ICBO<
    分辨率为 7 位即可，现采用 ADS1213，远远满足本设计要求。 4）集电极-发射极间的反向击穿电压 V(BR)CEO 的测量分析。V(BR)CEO 为基极开 路时，集电极和发射极间的反向击穿电压。继电器将恒流源与基极断开，使基极 开路，以一定步进增加 VCE 的值，每个对应的 VCE 通过之前提到的 I/V 转换和 AD 采样电路，测得相应用 IC。当 IC=1mV，相应的 VCE 即为 V(BR)CEO。题目要求 V(BR)CEO 测量范围为 20V~60V，测量误差≤5%，则的 VCE 步进增量不大于 1V（即 20V*5%），本系统通过 DAC 设置 VCE 的步进增量为 0.1V，远满足设计要求。 2、三极管管脚插错、损坏判断方案理论分析 恒流源输出 10μA 的基极电流，控制 VCE 输出为 3V，则当三极管不插错或无 损坏时，三极管一定会工作在放大区。此时，测出发射集电流，计算β值，测得 的β值较大，应该大于 50（相对题目要求β测量范围 50~300）。若插错或损坏，则 一定不会工作在放大区，测得的β值一定很小。则可以通过判断测得的β值大小， 可以实现三极管管脚插错、损坏指示报警功能。 3、三极管共射极接法输入特性曲线测量分析 共发射极三极管的输入特性曲线表示为以输出电压 VCE 为参变量，输入电流 IB 随输入电压 VBE 变化的特性，特性曲线如图 2 所示。三极管的发射结（硅管） 压降为 VBE=0.6V~0.7V，三极管由截止到导通时，VBE 变化极小，而输入电流 IB 却变化显著。控制恒流源以一定步进增量调节 IB，采用高精度高分辨率 ADS1213 对 VBE 进行采样，测出共射极输入持性曲线。 图 3 三极管共射极输出特性曲线族 图 2 三极管共射极输入特性曲线 4、三极管共射极接法输出特性曲线测量分析 共发射极输出特性曲线可以表示为以 IB 为参变量，输出电流 IC 与输出电压 VCE 之间的关系曲线。当 IB 不同时，得到不同的输出曲线，这样可得到一组输出 特性曲线，如图 3 所示。由共发射极输出特性曲线可知三极管可以工作在三个不 同的区域：饱和区、放大区和截止区，也就是说三极管具有饱和、放大和截止三 种不同的工作状态。题目要求在 IB=0，10μA，20μA，30μA，VCE=0~12V 条件下， 显示出三极管共射极接法输出特性曲线。控制恒流源以阶梯形式输出基极电流， 同时，在 0~12V 内以锯齿波形式同步输出 VCE，采样集电极电流。每给定一个阶 梯对应的基极电流，便可以测得一条 IC 随 VCE 变化的曲线。 四、主要硬件电路设计 1、双极性恒流源的设计 双极性恒流源电路如图 4 所示。OP07(1)构成一个减法器，将 DAC 输出的单 极性控制电压变换成双极性电压 Vi。恒流源主要由 OP07(2) 和 OP07(3)实现。该 电路的输出接入三极管的基极，由其输出向三极管基极方向看，三极管构成的共
    射极接法电路的输入电阻作为该恒流源的负载 RL。 图 4 双极性恒流源电路 如图 2 所示，R1=R2=R3=R4，V-=V+。V+=R1*Vi/(R1+R2)+R2*Vo/(R1+R2)， 而 V-=(Rs+RL)*(Vo/RL)*R3/(R3+R4)。则可以推出 Vo/RL=Vi/Rs，即输出电流 Io 只受输入电压 Vi 和电阻 Rs 的控制。当 Vi 和 Rs 不变，无论三极管构成的共射极 接法电路的输入电阻（RL）发生变化或基极端电压（Vo）发生变化，基极电流 都会恒定不变。Rs 不变，通过 DAC 改变 Vi，即可实现基极电流的程控调节。 2、集射电压 Vce 产生及控制模块电路设计 该模块核心器件采用 TLV5638 和 OPA548。TLV5638 为双通道 12 位电压输 出型 D/A 转换器，内置可编程参考电压基准，采用单电源+5V 供电，设置 2.048V 内部基准，输出电压由一个 2 倍增益的满幅度输出缓冲器缓冲，输出范围为 0~4.096V。 图 5 Vce 产生及控制电路 TLV5638 后级接入高电压高电流大功率运放 OPA548。OPA548 最大可采用 ±30V 双电源供电，如图 5 所示，限于自制电压源输出电压和变压器输出电压， 最终给出-5V 和+54V 供电，，将输出电压最大能放大到 40V（小于题目要求的 60V），输出接入三极管的集电极。ILIM 引脚上电阻 RCL 进行精密限流，限至最 大电流为 3mA。启动/状态（E/S）接成复位电路，可以禁止输出实现切断负载， 也可以减少静态电流以保存电源能量。 3、I/V 转换电路设计 三极管的发射极直接接入 I/V 转换电路， 如图 6 所示。输入端为 OP07 的反相输入端， 相当于发射极处于虚地状态，发射极电流直 接进行 I/V 转换，后级输入 ADS1213 进行采 样。I/V 转换运放采用 TI 公司的高精度放大 器 OP07，它的失调电流仅为 0.8nA，对于电 流转换几乎不引入误差。测 ICEO 时（其测量 范围为 0.1μA~100μA），继电器断开，如图 6 所示，测其它参数或其他情况下，继电器均 属于闭合状态。二极管 D1 和 D2 为 I/V 转换电路的输入保护电路，防止大电流 输入时损坏运放。 图 6 I/V 转换电路 2 3 6 4 7 1 8 5 O P 0 7 ( 1 ) 2 3 6 4 7 1 8 5 O P 0 7 ( 2 ) 2 3 6 4 7 1 8 5 O P 0 7 ( 3 ) 1 0 K 1 0 K 2 . 5 K D A C - 5 V 8 . 2 K 7 . 5 K R 1 7 . 5 K R 2 7 . 5 K R 3 7 . 5 K R 4 2 0 K R s 输 出 + 1 5 V - 1 5 V + 1 5 V + 1 5 V - 1 5 V - 1 5 V V i V o R L V - V + D I N 1 V D D 8 O U T B 7 R E F 6 A G N D 5 S C L K 2 C S ' 3 O U T A 4 T L V 5 6 3 8 F P G A O U T A + 5 + 5 4 V - 5 V 1 0 M R c l 3 K R 1 V i n - V i n + E / S V - V + I L I M V O 1 0 u F C 1 - 5 1 0 K 4 . 7 K 1 0 0 Ω 1 4 0 K + 5 V 输 出 O P A 5 4 8 2 3 6 4 7 1 8 5 O P 0 7 1 K 9 9 K D 1 1 N 4 1 4 8 D 2 输 入 + 1 5 V - 1 5 V A D C 继 电 器 三 极 管 发 射 极 输 入
    4、AD 采样电路设计 四通道串行 A/D 转换器 ADS1213 为高精度串行模数转换器，具有 24 位分 辨率的高精度，其输入阻抗高，吸收电流小。这种 A/D 转换器采用了∑—△转换 技术，转换时间可编程设置，不仅精度高、成本低，而且噪声小、抗干扰能力强。 ADS1213 采用+5V 单独供电，它具有片内自校准功能，内部结构包括一个四通 道的多路转换开关、一个增益可编程放大器、一个二阶∑一△调制器、一个程控 数字滤波器、一个时钟振荡器、一个片内+2.5 基准电源、一个串行接口以及一个 包括指令寄存器、命令寄存器和校准寄存器的片内微控制器。 图 7 AD 采样电路 AD 采样电路如图 7 所示。充分利用 ADS1213 四个通道，通道 1 采样 I/V 转 换电压，通道 2 采用基极串联电阻输入电压，通道 3 采样基极电压，通道 4 采样 集电极电压。利用 pin7（VBIAS）的接法，可以调整输入电压范围到±10V。采 用四线接口模式。每个输入通道均是通过 OP07 构成的跟随器（图中未画出来） 实现阻抗隔离，然后再输入 ADS1213。 五、软件设计 开始 软件采用模块化编程思想，通过菜单选 择所有功能。每次三极管测试之前进行查错 操作，无错后再进行各项参数的测量。本测 试仪采用 LCD 液晶显示触模屏显示测量参 数及曲线，在 LCD 上面实现了触模功能键。 主程序流程图如图 8 所示。 六、测试数据及结果分析 1、测试仪器及型号 双踪数字示波器 高频毫伏表 四位半数字万用表 2、测试方法及测试数据 Tektronix TDS1002 DA22A UT58E 初始化 选择NPN型或PNP型 三极管测试 是否管脚插错或损坏 Y 交 流 放 大 系 数 β 报警 直 流 放 大 系 数 β N 选择测试参数 集电 极-发 射极 反向 饱和 电流 Iceo 集电 极-发 射极 反向 击穿 电压 V(BR )CEO 输 出 特 性 曲 线 输 入 特 性 曲 线 1）测试方法 总体测试方法：选择 NPN 型或 PNP 型 三极管，用数字万用表测出β值，记录各三 极管数据手册上标明的 ICEO 和 V(BR)CEO，当 然要在数据手册上标明的参数的测试条件 要和本题目给出的测试条件是相同的的情况下。用本测试仪测试选择的三极管， 记录β、ICEO、V(BR)CEO 的测试结果，与用数字万用表测出的β值和数据手册上的 图 8 主流程图 LCD上显示结果 返回 A I N 3 N 1 A I N 2 P 2 A I N 2 N 3 A I N 1 P 4 A I N 1 N 5 A G N D 6 V B I A S 7 C S ' 8 D S Y N C ' 9 X I N 1 0 X O U T 1 1 D G N D 1 2 D V D D 1 3 S C L K 1 4 S D I O 1 5 S D O U T 1 6 D R D Y ' 1 7 M O D E 1 8 A V D D 1 9 R E F O U T 2 0 R E F I N 2 1 A I N 4 P 2 2 A I N 4 N 2 3 A I N 3 P 2 4 A D S 1 2 1 3 D V D D F P G A 9 K 3 K 9 K 3 K 9 K 3 K 9 K 3 K P i n 7 V B I A S 输 入 3 输 入 4 输 入 输 入 1 0 u F A V D D F P G A F P G A F P G A F P G A D V D D 9 K A V D D 0 . 1 u F 0 . 1 u F 1 u F 1 0 u F 1 0 u F D V D D
    ICEO 和 V(BR)CEO 比较分析，计算误差。 共射极组态输入特性曲线和输出特性曲线的测试方法：分别点击两曲线测量 的功能触模键，则本测试开始测试曲线，测试完毕后在 LCD 上显示曲线。观察 曲线，与理论实际曲线比较分析。 管脚插错、损坏指示报警功能测试方法：将三极管集电极和发射极互换位置 插入，点击触模键测量。 2）测试结果 报警功能测试结果：能够显示报警信号，功能实现。 两种特性曲线测试结果：可以正确显示两种特性曲线。输入特性曲线图很像 二极管正向伏安特性曲线，如图 2 所示。输出特性曲线共有四条曲线，分别对应 IB=0，10μA，20μA，30μA 时在 CEV 0~12V 的四条曲线。输出特性曲线可分为 饱和区、截止区和放大区，如图 3 所示。在放大区域内每两条曲线近似平行等距， 即 IC 随 IB 在放大区内线性变化。 β、ICEO、V(BR)CEO 的测试结果：如表 1 所示。 表 1 β、ICEO、V(BR)CEO 的测试数据 V(BR)CEO 实测 值 相对 误差 三 极 管 β 实测 值 标称 值 S9014 329 S8050 242 S9013 259 3、测试结果及误差分析 绝对 误差 标称 值 0.1uA 0.1uA 0.1uA ICEO 实测 值 相对 误差 标称 值 45V 25V 30V 由测试结果来看，本测试仪实现了题目的基本要求和发挥要求。基于题目对 β、ICEO、V(BR)CEO 的测试范围与测试条件，本实验室很难找到或在市场上较难买 到符合在测试范围的小功率半导体三极管，实际测试时仅具有表 1 中三种三极 管，导致不能有大量的测试数据来验证本测试仪，不过从表 1 中看测试结果基本 达到题目要求的指标。三极管共射极接法输入特性曲线和输出特性曲线，不能找 到一个标准来核对，只能定性的看出曲线是否符合三极管共射极组态时输入和输 出的特性。从测试曲线来看，的确是定性的反映了三极管在共射极接法时的输入 或输出特性。
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