簡易半導體三極管參數測試儀

1、編號：099050241037本 科 畢 業(yè) 論 文題 目：簡易半導體三極管參數測試儀 學 院：物理與電子信息學院 專 業(yè)：電子信息科學與技術 年級：09級 姓 名：宣萬瑜 指導教師：張紅娜 完成日期：2013年5月15日 目錄摘 要3Abstract4引 言5一、總體設計51. 方案選擇61.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設計61.1.2 恒流電流源的設計61.1.3 采樣電路的設計71.1.4 液晶電路的設計82. 系統(tǒng)描述8二、理論分析與計算81.三極管類型判斷92.放大倍數的計算93.輸入、出特性曲線9三、電路與程序設計101. 直流穩(wěn)壓電源102. 恒流電流源103. 采樣電路114. 控制

2、部分124.1. 單片機最小系統(tǒng)134.2 D/A轉換134.3. A/D采樣144.4. 液晶顯示154.5. 鍵盤165 軟件設計17四、測試方法及測試結果181.測試條件192. 測試儀器193. 測試方案194. 測試結果20結束語21參考文獻21致謝22附錄22摘要本系統(tǒng)以AT89C52單片機為最小核心控制單元，并采用總線控制方式設計的一款三極管參數測試儀。其前向通路由恒壓電壓源、恒流電流源供應基極電流和集電極電壓，采用2片4運放TL084和2片2運放TL082輸出的三極管集電極電流Ic、三極管基極電流Ib、三極管集電極-發(fā)射極電壓Vce和三極管基極-發(fā)射級電壓Vbe,通過模擬開關選

3、路進入ADC0804轉換輸入單片機進行數據分析處理，通過程序處理的數據經DA轉換器TLC7528送入液晶屏幕顯示小功率管的交流、直流放大倍數，其顯示的輸入、輸出特性曲線。本系統(tǒng)還可根據前向通路做輸出判別被測三極管的類型。經測試發(fā)現，該系統(tǒng)可在規(guī)定誤差范圍內正常的工作。 關鍵字: 恒壓源 恒流源 三極管參數 輸入特性曲線 輸出特性曲線AbstractThis system to AT89C52 microcontroller as the core control unit and minimum, adopts the design of bus control mode of a semic

4、onductor transistor parameter tester.The forward path through the constant voltage source and constant current source provides the base current and collector voltage, with 2 pieces of 4 operational amplifiers TL084 and 2 pieces of 2 operational amplifiers TL082 output transistor collector current Ic

5、, triode base current Ib, triode Collector - emitter voltage of Vce and a triode base - emitter voltage Vbe through the analog switch, routing in ADC0804 input single-chip microcomputer for data processing, through the data processed by the program through the DA converter TLC7528 to the LCD screen

6、display AC, DC low power tube amplification, the input, output characteristic curve. The system can also be based on the forward channel output discriminant measured type triode. After testing, the system can the error range of normal.Keywords: constant voltage source current source transistor param

7、eter test引言 隨著近幾十年電子產業(yè)的迅猛發(fā)展，半導體三極管的發(fā)展也非常的快，所以對半導體三極管的檢測是一項非常重要的研究課題，半導體三極管參數測試儀的應用也是十分廣泛的，因為其參數范圍非常大，所以其測試儀的功能也有很大的不同，有的用來檢測其反向飽和電流、 輸入特性曲線、輸出特性曲線、反向擊穿電壓等等的參數。 學校實驗室用表檢用測三極管的放大系數，但其只能用來檢測三極管的直流放大系數，專業(yè)的參數測試儀器又非常的昂貴，經常滿足不了學生的需求，所以此次課題的研究是非常有實際用處的。在設計半導體三極管電路時，三極管的集電極電流、集電極和發(fā)射極電壓和基極電流是經常需要的，就是用來描述輸入特性曲

8、線和輸出特性曲線。所以準確又快速的測試出來是最需要的。本以AT89C52單片機為最小核心控制單元，并采用總線控制方式設計的一款半導體三極管參數測試儀，是一款準確有經濟的一款測試儀，并且能直接測試半導體三極管的直流放大系數、交流放大系數、輸入特性曲線、輸出特性曲線，所以很適合在學校的實驗室使用。 一、總體設計1. 方案選擇 1.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設計 方案一：采用DA輸出控制集電極電壓輸入。采用改變DA輸出和電阻分壓使其能在012V范圍內變化。圖 1.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設計 方案二：該系統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。采用高精度OP07進行電壓放大。通過運放的負端滑動變阻器改變其輸出電壓使其能在012

9、V內變化。 綜合考慮，線性穩(wěn)壓電源易于設置，容易實現。所以該設計采用方案二。1.1.2 恒流電流源的設計 方案一：輸入電壓10V，串聯(lián)電阻取電流。通過開關控制并聯(lián)電阻的阻值從而得到輸出電流為10uA，20uA，30uA.圖 1.1.2恒流電流源的設計 方案二：恒流電流源的設計。集成運算放大器的功率電壓控制電流源。輸入電壓為1 v,2 v和3 v獲得輸出電流為1uA，2uA，3 uA。 綜合考慮,方案二很簡單,高輸出精度,易于使用,穩(wěn)定的輸出。因此本系統(tǒng)選擇方案二。1.1.3 采樣電路的設計 方案一：NPN和PNP兩種三極管分別用兩路電路測量。集電極發(fā)射機電壓和集電極發(fā)射機反向飽和電流采樣通過開

10、關切換檔位實現測量。 圖 1.1.3采樣電路的設計 方案二:使用發(fā)射器串聯(lián)電阻,直接對發(fā)射極電流Ice進行測量。這個方案由于電阻兩端的電壓很低,容易放大和檢測。但因為發(fā)射極存在電阻,使基級的電位很難確定的,不容易對基級電阻選擇，確定Uce也將帶來一定的困難。 方案三:使用相同的電路實現測量的兩種晶體管反向器來實現對被測量晶體管類型改變電路保持不變。 綜上所述，方案三恒壓源和恒流源反向器控制其輸入,使用反相器實現類型的變化原理更易懂，電路更簡單。所以采用方案三。1.1.4 LCD電路的設計 該系統(tǒng)采用的是總線方式控制，本次液晶型號為HM128128M1，但是它本身是不支持總線方式的，所以液晶電路

11、不能只簡單通過鎖存器把信號送入液晶顯示。另外，本液晶屏幕的工作電壓為3.3V，而單片機P0口輸出電壓約為5V，電路中必須接入電阻分壓。綜合考慮，用單片機書寫信號及鎖存器74HC573的片選信號采用或非門來控制鎖存器的使用，來實現總線的方式控制液晶顯示電路。通過鎖存器與液晶之間接入330的電阻來分壓，及采用SPX1117-33集成芯片來穩(wěn)壓。 2、系統(tǒng)描述 整個設計系統(tǒng)圖如下所示。包括前向通路測試模塊和單片機控制模塊。前向通路測試模塊是用來完成采樣和信號處理的集電極電流,基極電流,集電極-發(fā)射極電壓和基地發(fā)射極電壓;單片機控制模塊用于實現數字控制電流源、數字電壓源收集、液晶顯示控制。數據總線模擬

12、電子開關采樣處理數控電流源數控電壓源AT89C52單片機LCD采樣處理D/A轉換測試模塊圖 1.2. 整體框圖二、理論分析與計算1.三極管類型判斷 該系統(tǒng)用共射極接法接入待測半導體三極管，根據加在集電極電壓的正負就可以判斷晶體管類型：如果為正，則該晶體管為NPN型，前向通路輸出端1、3、5、7輸出接口為正，2、4、6、8輸出接口為負；如果加在集電極電壓為負則輸出剛好相反。如果兩個條件都不滿足,證明這種晶體管已經損壞。2.放大倍數的計算 當測量三極管放大倍數時，該系統(tǒng)的單片機通過D/A轉換器輸出并且控制數控電流源及數控電壓源為半導體三極管基極提供適當的基極電流和適當的集電極電壓。若通過的集電極電

13、流為，所以直流電流放大系數為： 交流電流的放大系數反映了當前動態(tài)放大的特性,它被定義為集電極電流的變化與基極電流的變化比: 此系統(tǒng)中一直工作在恒流地區(qū)更好的半導體三極管,可以被認為直流放大和交流放大是一致的,所以通過測量兩次直流基極電流和集電極電流值來計算電流電流放大的倍數。3.輸入特性曲線及輸出特性曲線3.1 輸入特性曲線： 半導體三極管共射極連接的輸入特性曲線對輸出電壓為參變量時基極電流與發(fā)射結壓降電壓之間的關系進行了描述為： 3.2 輸出特性曲線： 半導體三極管共射極連接時的輸出特性曲線對當輸入電流為某參變量時，集電極電流與電壓之間的關系進行了描述。該系統(tǒng)描述了當基極電流分別為10uA，

14、20uA，30uA，在012V范圍變化時，變化情況：三、電路與程序設計1. 直流穩(wěn)壓電源 因為系統(tǒng)的輸出特性曲線的測試需求描述在集電極電壓范圍為0 v-12v，但輸出電壓的D / A單片機系統(tǒng)在5 v-5v范圍,不能滿足課題要求,因此測試電路前段使用的穩(wěn)壓電源電路，用運算放大器OP07進行放大，在恒壓源輸出端利用半導體三極管的電流放大特性進行電流放大時。采用調節(jié)電路中的滑動變阻器來調節(jié)輸出電壓。電壓放大倍數的計算公式為： 圖 3.1.直流穩(wěn)壓電源2. 橫流電流源 由于測試電路基極輸入電流有以下取值：0uA，10uA，20uA，30uA。所以設計電路圖如下所示。下圖中為D/A輸出的控制電壓，設流

15、過R18的電流為，設流過R25的電流為，單位為，流向均為向右，所以可以根據虛斷和虛短，列出下式： 當改變控制電壓時，就可以改變其輸出電流，輸出的電流也不會隨負載有所變化，恒流的效果很好。圖 3.2橫流電流源3. 采樣電路此采樣電路包括集電極采樣及基極采樣。集電極采樣輸出的是集電極-射極電壓和集電極電流，基極采樣輸出的是基極-射極電壓和基極電流。集電極的采樣電路：采樣電阻兩端的電壓分別使用電壓跟隨器時進行差分縮小了1/2，其一路采用直接輸出，另一路采用反相器輸出。直接輸出，輸出NPN型半導體三極管的集電極電流。反相器輸出，輸出PNP型三極管的集電極電流。電壓的采樣是直接取得集電極的電壓，而縮小1

16、/3后在輸出NPN型半導體三極管的 基極-射極電壓，通過反相器輸出PNP型半導體三極管的集電極電壓。圖 3.3集電極采樣電路 此系統(tǒng)采用相同的基極采樣電路的想法,三極管是一種電流放大,但基極輸入電流小,在通過放大電路放大,對兩種不同類型的三級管基極電壓的放大三倍或負三倍,但基極電流放大十倍或負十倍。4. 控制部分 此系統(tǒng)所用的外部11.0592M晶體振蕩器是單片機的時鐘。外部擴展8鍵簡單的鍵盤，AD取樣電路、DA轉換電路,8路模擬開關。單片機采用總線控制的方式。采用單片機的片外引腳來進行擴展。P0口提供數據總線，其寬度是8位的，這個口是三態(tài)雙向口的，是在該系統(tǒng)使用最為頻繁的數據通道。提供的數據

17、總線要連接在多個外圍芯片上，同一時間只能僅有一個有效的傳輸通道，因此由地址線控制各芯片的選片選擇有效的芯片的通道。本系統(tǒng)的控制功能由P1口提供，外加的P3.6和P3.7口用來控制芯片的讀或寫功能。4.1. 單片機最小系統(tǒng)控制電路使用宏晶公司AT89C52單片機作為核心控制部件，AT89C52單片機，晶體振蕩器，復位電路組成單片機最小系統(tǒng)。此單片機具有以下特點： 8K的Flash程序存儲器，512byte的數據存儲器，1K的EEPROM，32條I/O口線。與其他單片機比較，AT89C52單片機有超低功耗、超強干擾的特點。有三種模式：1、掉電模式；2、空閑模式和正常工作模式；3、從而節(jié)省了功耗。另

18、外，它的輸入/輸出口、電源、時鐘、看門狗和復位電路都經過特殊處理，而減低了外部的干擾。此單片機工作電壓較寬，不怕電源抖動 5V：6v-3.4V 3V:4V-1.9V。4.2 D/A轉換 由于三極管有NPN和PNP兩種型號，測量2種半導體三極管輸入輸出特性曲線時使用的掃描電壓極性是相反的，這就要求控制器輸出的控制電壓有正負兩個極性。我們使用的D/A是TLC7528，TLC7528是CMOS 8位數字-模擬轉換器(DAC),其內部集成兩路DA輸出，并且能方便地與大多數通用的微處理器接口，具有輸入鎖存與隨機存取的存儲器，用來寫相似的裝載周期(load cycles)，能輸出精度為1/2 LSB還不需

19、要薄膜電阻和激光微調，其功耗典型值小于5mW。 該系統(tǒng)使用TLC7528典型的應用電路作外圍電路。其P0口數據輸出到DA的DB0DB7，通過6腳/DACA DACB選擇兩路輸出中的一路，通過一片四運放和兩個精密電位器調整輸出，輸出電壓為-5V5V。圖 4.2D/A轉換4.3. A/D采樣該系統(tǒng)采用ADC0804作為A/D轉換核心芯片。其內部帶時鐘，是一個施密特反相器組成的振蕩器。電阻R15、電容C15決定時鐘頻率。此ADC能夠自動調零，采用差分輸入，VIN+接輸入端，VIN-接地。R17用來改變輸入電壓而改變供檢測和使用，還可以做直流電平的偏置電路，采用電容耦合時的交流信號可直接的加在AD轉換

20、器輸入端。ADC0804是8位精度的AD轉換器。圖4.3A/D采樣4.4. 液晶顯示 該系統(tǒng)選用LM018L作為顯示器。此液晶有以下幾個特點： 1、用戶硬件接口有兩種模式可供選擇：使用標準RS232接口，缺省速率為9600bps，可以調節(jié)。使用REQ/BUSY握手通訊協(xié)議，簡單可靠。 2、電源操作的范圍是2.7V-3.6V；軟件控制背光開啟和閉合，低功率；提供多種指令及各種西文字庫。可以提供8位并行和串行MPU界面；自動電源啟動復位；繪圖和文字畫面同時顯示；能提供外部復置觸發(fā)接腳。 3、該系統(tǒng)采用并行總線方式控制液晶。由于此液晶本身并不支持總線方式，所以在硬件電路中選擇通過單片機P2.0口片選

21、與P3.6口讀使能經過六或非門74ALS02輸出作為74HC573的片選。由于此液晶的工作電壓為2.7-3.6V，但是單片機輸出電壓約為5V，所以在鎖存器輸出與液晶輸入之間接入330的電阻分壓，能夠保證液晶正常工作。圖4.4液晶顯示4.5. 鍵盤由于此次課題對按鍵數目要求較少，由于矩陣鍵盤編程復雜等缺點，此次系統(tǒng)使用獨立的按鍵鍵盤。由于P3口分別控制8個按鍵。其按鍵中接入上拉電阻和電容，起消振作用。圖4.5鍵盤5 軟件設計本設計軟件設計主要有以下幾個部分：1、集電極-發(fā)射極反向飽和電流，集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓的計算；2、管腳出錯報警的設置；3、AD采樣前向通路輸出，和對數據處理，對直流、交

22、流放大倍數的計算；4、按鍵掃描及設置；5、液晶顯示AD輸出數據等功能；6、DA來提供恒流源和恒壓源輸入電壓輸出。下圖為主要模塊程序的流程圖(下圖是PNP型半導體三極管計算的流程圖，NPN型同理設計)：開始程序初始化采樣，濾波計算直流放大倍數倍數<30？管腳錯誤顯示放大倍數計算Iceo,Vceo交流放大倍數是圖 4.6 AD采樣流程圖四、測試方法和測試結果1. 測試儀器1、 數字萬用表2 、DH1723-1直流四路穩(wěn)壓電源 兩臺2. 測試方案和方法把程序下載到單片機開發(fā)板中連接好硬件電路和系統(tǒng)板以及液晶顯示器，首先改變DA輸出測試恒壓源和恒流源的工作情況。采用分級測試的方法，即芯片的安裝不

23、是同時進行的，是測試每一步時安裝需要的芯片。最后是安裝全部芯片觀察輸出結果，對數據進行分析。3. 測試結果和數據1.恒流源測試結果恒流源測試結果輸入電壓R20兩端電壓預計電流輸出電流誤差1v105.2mv10uA10.52uA5.20%2v192.6mv20uA19.26uA3.70%3v281.5mv30uA28.15uA6.17%表 1 恒流源測試數據 結果分析：此恒流源設計的結果在誤差范圍內，滿足要求。2.恒壓源測試結果恒壓源測試結果輸入電壓（v）預設輸入電壓輸出電壓誤差-5-12-12.0780.65-4-9.6-9.8883-3-7.2-7.5574.96-2-4.8-5.0845.

24、92-1-2.4-2.5616.71000.06612.42.6018.3824.84.963.3337.27.3351.8849.69.8582.6951212.0420.35表 2 恒壓源測試數據 測試結果分析：此恒壓源精度很高，能夠滿足后續(xù)電路提供電流的需要。3.NPN型三極管測試結果 被測試的三極管：NE5551 測試條件：直流輸入NPN三級集電極測試結果輸入電壓（v）基極電流（ua）集電極采樣電阻兩端電壓（mv）輸出電壓V1(mv)輸出電壓V2(mv)輸出電壓V3（mv）輸出電壓V4（mv）15.5440.620.325-0.325-3.1283.176213.9031.58230.8049-0.8042-2.7432.784323.022.6551.341-1.341-2.3672.402表 3 NPN三極管集電極測試數據NPN三極管基極測試結果輸入電壓（v）基極電流（uA）基極采樣電阻兩端電壓（mV）輸入電壓V5(mV)輸出電壓V6（mV）輸出電壓V7（mV）輸出電壓V8（mV）323.240.222.216-2.2092.35-2.334213.80.131.345-1.361.43-1.39815.640.06