簡易半導(dǎo)體三極管參數(shù)測(cè)試儀

1、編號(hào)：099050241037本 科 畢 業(yè) 論 文題 目：簡易半導(dǎo)體三極管參數(shù)測(cè)試儀 學(xué) 院：物理與電子信息學(xué)院 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 年級(jí)：09級(jí) 姓 名：宣萬瑜 指導(dǎo)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(shè)計(jì)51. 方案選擇61.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)61.1.2 恒流電流源的設(shè)計(jì)61.1.3 采樣電路的設(shè)計(jì)71.1.4 液晶電路的設(shè)計(jì)82. 系統(tǒng)描述8二、理論分析與計(jì)算81.三極管類型判斷92.放大倍數(shù)的計(jì)算93.輸入、出特性曲線9三、電路與程序設(shè)計(jì)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(jī)最小系統(tǒng)134.2 D/A轉(zhuǎn)換134.3. A/D采樣144.4. 液晶顯示154.5. 鍵盤165 軟件設(shè)計(jì)17四、測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果181.測(cè)試條件192. 測(cè)試儀器193. 測(cè)試方案194. 測(cè)試結(jié)果20結(jié)束語21參考文獻(xiàn)21致謝22附錄22摘要本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為最小核心控制單元，并采用總線控制方式設(shè)計(jì)的一款三極管參數(shù)測(cè)試儀。其前向通路由恒壓電壓源、恒流電流源供應(yīng)基極電流和集電極電壓，采用2片4運(yùn)放TL084和2片2運(yùn)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(jí)電壓Vbe,通過模擬開關(guān)選

3、路進(jìn)入ADC0804轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，通過程序處理的數(shù)據(jù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器TLC7528送入液晶屏幕顯示小功率管的交流、直流放大倍數(shù)，其顯示的輸入、輸出特性曲線。本系統(tǒng)還可根據(jù)前向通路做輸出判別被測(cè)三極管的類型。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可在規(guī)定誤差范圍內(nèi)正常的工作。 關(guān)鍵字: 恒壓源 恒流源 三極管參數(shù) 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(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體三極管的發(fā)展也非常的快，所以對(duì)半導(dǎo)體三極管的檢測(cè)是一項(xiàng)非常重要的研究課題，半導(dǎo)體三極管參數(shù)測(cè)試儀的應(yīng)用也是十分廣泛的，因?yàn)槠鋮?shù)范圍非常大，所以其測(cè)試儀的功能也有很大的不同，有的用來檢測(cè)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(shù)。 學(xué)校實(shí)驗(yàn)室用表檢用測(cè)三極管的放大系數(shù)，但其只能用來檢測(cè)三極管的直流放大系數(shù)，專業(yè)的參數(shù)測(cè)試儀器又非常的昂貴，經(jīng)常滿足不了學(xué)生的需求，所以此次課題的研究是非常有實(shí)際用處的。在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體三極管電路時(shí)，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(jīng)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(zhǔn)確又快速的測(cè)試出來是最需要的。本以AT89C52單片機(jī)為最小核心控制單元，并采用總線控制方式設(shè)計(jì)的一款半導(dǎo)體三極管參數(shù)測(cè)試儀，是一款準(zhǔn)確有經(jīng)濟(jì)的一款測(cè)試儀，并且能直接測(cè)試半導(dǎo)體三極管的直流放大系數(shù)、交流放大系數(shù)、輸入特性曲線、輸出特性曲線，所以很適合在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室使用。 一、總體設(shè)計(jì)1. 方案選擇 1.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 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(nèi)變化。圖 1.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 方案二：該系統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。采用高精度OP07進(jìn)行電壓放大。通過運(yùn)放的負(fù)端滑動(dòng)變阻器改變其輸出電壓使其能在012

9、V內(nèi)變化。 綜合考慮，線性穩(wěn)壓電源易于設(shè)置，容易實(shí)現(xiàn)。所以該設(shè)計(jì)采用方案二。1.1.2 恒流電流源的設(shè)計(jì) 方案一：輸入電壓10V，串聯(lián)電阻取電流。通過開關(guān)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(shè)計(jì) 方案二：恒流電流源的設(shè)計(jì)。集成運(yùn)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(shè)計(jì) 方案一：NPN和PNP兩種三極管分別用兩路電路測(cè)量。集電極發(fā)射機(jī)電壓和集電極發(fā)射機(jī)反向飽和電流采樣通過開

10、關(guān)切換檔位實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 圖 1.1.3采樣電路的設(shè)計(jì) 方案二:使用發(fā)射器串聯(lián)電阻,直接對(duì)發(fā)射極電流Ice進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)方案由于電阻兩端的電壓很低,容易放大和檢測(cè)。但因?yàn)榘l(fā)射極存在電阻,使基級(jí)的電位很難確定的,不容易對(duì)基級(jí)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(shí)現(xiàn)測(cè)量的兩種晶體管反向器來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì) 該系統(tǒng)采用的是總線方式控制，本次液晶型號(hào)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(hào)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(jī)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(jī)書寫信號(hào)及鎖存器74HC573的片選信號(hào)采用或非門來控制鎖存器的使用，來實(shí)現(xiàn)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(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖如下所示。包括前向通路測(cè)試模塊和單片機(jī)控制模塊。前向通路測(cè)試模塊是用來完成采樣和信號(hào)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(jī)控制模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制電流源、數(shù)字電壓源收集、液晶顯示控制。數(shù)據(jù)總線模擬

12、電子開關(guān)采樣處理數(shù)控電流源數(shù)控電壓源AT89C52單片機(jī)LCD采樣處理D/A轉(zhuǎn)換測(cè)試模塊圖 1.2. 整體框圖二、理論分析與計(jì)算1.三極管類型判斷 該系統(tǒng)用共射極接法接入待測(cè)半導(dǎo)體三極管，根據(jù)加在集電極電壓的正負(fù)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(fù)；如果加在集電極電壓為負(fù)則輸出剛好相反。如果兩個(gè)條件都不滿足,證明這種晶體管已經(jīng)損壞。2.放大倍數(shù)的計(jì)算 當(dāng)測(cè)量三極管放大倍數(shù)時(shí)，該系統(tǒng)的單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出并且控制數(shù)控電流源及數(shù)控電壓源為半導(dǎo)體三極管基極提供適當(dāng)?shù)幕鶚O電流和適當(dāng)?shù)募姌O電壓。若通過的集電極電

13、流為，所以直流電流放大系數(shù)為： 交流電流的放大系數(shù)反映了當(dāng)前動(dòng)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(dǎo)體三極管,可以被認(rèn)為直流放大和交流放大是一致的,所以通過測(cè)量兩次直流基極電流和集電極電流值來計(jì)算電流電流放大的倍數(shù)。3.輸入特性曲線及輸出特性曲線3.1 輸入特性曲線： 半導(dǎo)體三極管共射極連接的輸入特性曲線對(duì)輸出電壓為參變量時(shí)基極電流與發(fā)射結(jié)壓降電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了描述為： 3.2 輸出特性曲線： 半導(dǎo)體三極管共射極連接時(shí)的輸出特性曲線對(duì)當(dāng)輸入電流為某參變量時(shí)，集電極電流與電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了描述。該系統(tǒng)描述了當(dāng)基極電流分別為10uA，

14、20uA，30uA，在012V范圍變化時(shí)，變化情況：三、電路與程序設(shè)計(jì)1. 直流穩(wěn)壓電源 因?yàn)橄到y(tǒng)的輸出特性曲線的測(cè)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(jī)系統(tǒng)在5 v-5v范圍,不能滿足課題要求,因此測(cè)試電路前段使用的穩(wěn)壓電源電路，用運(yùn)算放大器OP07進(jìn)行放大，在恒壓源輸出端利用半導(dǎo)體三極管的電流放大特性進(jìn)行電流放大時(shí)。采用調(diào)節(jié)電路中的滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)輸出電壓。電壓放大倍數(shù)的計(jì)算公式為： 圖 3.1.直流穩(wěn)壓電源2. 橫流電流源 由于測(cè)試電路基極輸入電流有以下取值：0uA，10uA，20uA，30uA。所以設(shè)計(jì)電路圖如下所示。下圖中為D/A輸出的控制電壓，設(shè)流

15、過R18的電流為，設(shè)流過R25的電流為，單位為，流向均為向右，所以可以根據(jù)虛斷和虛短，列出下式： 當(dāng)改變控制電壓時(shí)，就可以改變其輸出電流，輸出的電流也不會(huì)隨負(fù)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(shí)進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)體三極管的 基極-射極電壓，通過反相器輸出PNP型半導(dǎo)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(duì)兩種不同類型的三級(jí)管基極電壓的放大三倍或負(fù)三倍,但基極電流放大十倍或負(fù)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(jī)的時(shí)鐘。外部擴(kuò)展8鍵簡單的鍵盤，AD取樣電路、DA轉(zhuǎn)換電路,8路模擬開關(guān)。單片機(jī)采用總線控制的方式。采用單片機(jī)的片外引腳來進(jìn)行擴(kuò)展。P0口提供數(shù)據(jù)總線，其寬度是8位的，這個(gè)口是三態(tài)雙向口的，是在該系統(tǒng)使用最為頻繁的數(shù)據(jù)通道。提供的數(shù)據(jù)

17、總線要連接在多個(gè)外圍芯片上，同一時(shí)間只能僅有一個(gè)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?qū)懝δ堋?.1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路使用宏晶公司AT89C52單片機(jī)作為核心控制部件，AT89C52單片機(jī)，晶體振蕩器，復(fù)位電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。此單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： 8K的Flash程序存儲(chǔ)器，512byte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1K的EEPROM，32條I/O口線。與其他單片機(jī)比較，AT89C52單片機(jī)有超低功耗、超強(qiáng)干擾的特點(diǎn)。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(shí)鐘、看門狗和復(fù)位電路都經(jīng)過特殊處理，而減低了外部的干擾。此單片機(jī)工作電壓較寬，不怕電源抖動(dòng) 5V：6v-3.4V 3V:4V-1.9V。4.2 D/A轉(zhuǎn)換 由于三極管有NPN和PNP兩種型號(hào)，測(cè)量2種半導(dǎo)體三極管輸入輸出特性曲線時(shí)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(fù)兩個(gè)極性。我們使用的D/A是TLC7528，TLC7528是CMOS 8位數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC),其內(nèi)部集成兩路DA輸出，并且能方便地與大多數(shù)通用的微處理器接口，具有輸入鎖存與隨機(jī)存取的存儲(chǔ)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(diào)，其功耗典型值小于5mW。 該系統(tǒng)使用TLC7528典型的應(yīng)用電路作外圍電路。其P0口數(shù)據(jù)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(yùn)放和兩個(gè)精密電位器調(diào)整輸出，輸出電壓為-5V5V。圖 4.2D/A轉(zhuǎn)換4.3. A/D采樣該系統(tǒng)采用ADC0804作為A/D轉(zhuǎn)換核心芯片。其內(nèi)部帶時(shí)鐘，是一個(gè)施密特反相器組成的振蕩器。電阻R15、電容C15決定時(shí)鐘頻率。此ADC能夠自動(dòng)調(diào)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(cè)和使用，還可以做直流電平的偏置電路，采用電容耦合時(shí)的交流信號(hào)可直接的加在AD轉(zhuǎn)換

20、器輸入端。ADC0804是8位精度的AD轉(zhuǎn)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(gè)特點(diǎn)： 1、用戶硬件接口有兩種模式可供選擇：使用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，缺省速率為9600bps，可以調(diào)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?？梢蕴峁?位并行和串行MPU界面；自動(dòng)電源啟動(dòng)復(fù)位；繪圖和文字畫面同時(shí)顯示；能提供外部復(fù)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(jī)P2.0口片選

21、與P3.6口讀使能經(jīng)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(jī)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(duì)按鍵數(shù)目要求較少，由于矩陣鍵盤編程復(fù)雜等缺點(diǎn)，此次系統(tǒng)使用獨(dú)立的按鍵鍵盤。由于P3口分別控制8個(gè)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(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)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(jì)算；2、管腳出錯(cuò)報(bào)警的設(shè)置；3、AD采樣前向通路輸出，和對(duì)數(shù)據(jù)處理，對(duì)直流、交

22、流放大倍數(shù)的計(jì)算；4、按鍵掃描及設(shè)置；5、液晶顯示AD輸出數(shù)據(jù)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(dǎo)體三極管計(jì)算的流程圖，NPN型同理設(shè)計(jì))：開始程序初始化采樣，濾波計(jì)算直流放大倍數(shù)倍數(shù)<30？管腳錯(cuò)誤顯示放大倍數(shù)計(jì)算Iceo,Vceo交流放大倍數(shù)是圖 4.6 AD采樣流程圖四、測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果1. 測(cè)試儀器1、 數(shù)字萬用表2 、DH1723-1直流四路穩(wěn)壓電源 兩臺(tái)2. 測(cè)試方案和方法把程序下載到單片機(jī)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(cè)試恒壓源和恒流源的工作情況。采用分級(jí)測(cè)試的方法，即芯片的安裝不

23、是同時(shí)進(jìn)行的，是測(cè)試每一步時(shí)安裝需要的芯片。最后是安裝全部芯片觀察輸出結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3. 測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)1.恒流源測(cè)試結(jié)果恒流源測(cè)試結(jié)果輸入電壓R20兩端電壓預(yù)計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù) 結(jié)果分析：此恒流源設(shè)計(jì)的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，滿足要求。2.恒壓源測(cè)試結(jié)果恒壓源測(cè)試結(jié)果輸入電壓（v）預(yù)設(shè)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(cè)試數(shù)據(jù) 測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果 被測(cè)試的三極管：NE5551 測(cè)試條件：直流輸入NPN三級(jí)集電極測(cè)試結(jié)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(cè)試數(shù)據(jù)NPN三極管基極測(cè)試結(jié)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