二極管反向漏電流特性測試儀的設(shè)計(jì)

1、第37卷第2期2010年2月文章編號:16742974(2010)02003604湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)Vol.37,No.2Feb2010二極管反向漏電流特性測試儀的設(shè)計(jì)晏敏,侯志春,劉艷,李旭1121*(1.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院,湖南長沙410082;2.廣汽本田汽車有限公司焊裝二科,廣東廣州510700)摘要:設(shè)計(jì)了一款在0100和反向電壓VR為01000V條件下,能夠測試二極管反向漏電流特性的測試儀.它采用橋式輸入、ICL7650組成的高精度放大電路、ADC0804和AT89S51完成了高壓到

2、低壓的轉(zhuǎn)換、信號的放大、采樣、量化及顯示,通過編程軟件對測試結(jié)果進(jìn)行修正,提高系統(tǒng)的測量精確度.對二極管IN4007的測試結(jié)果表明:所得反向漏電流分辨率達(dá)0.1nA,準(zhǔn)確度達(dá)1.79%.關(guān)鍵詞:二極管;反向漏電流;橋式輸入;ICL7650;精確度中圖分類號:TN305文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADesignofDiodeReverseLeakageCurrentTesterYANMin,HOUZhichun,LIUYan,LIXu1121(1.CollegeofPhysicsandMicroelectronicsScience,HunanUniv,Changsha,Hunan410082,China;2.W

3、eldingDepartment ,GuangzhouHondaAutomobileCo,Ltd,Guangzhou,Guangdong510700,China)Abstract:Atestertotestdiodereverseleakagecurrentatdifferenttemperatures(0100)andunderVRof0to1000Vwasdesigned.Thetesterusinginputbridge,highprecisionamplifierICL7650,ADC0804andAT89S51cancompletesignalamplification,sampli

4、ng,quantificationandindication,andrevisethetestresultsthroughtheprogrammingsoftware.Experimentresultshaveshownthattheresolutionofthereverseleakagecurrentisupto0.1nA,andtheaccuracyisupto1.5percent.Keywords:diodes;reverseleakagecurrent;bridgeinput;ICL7650;precision隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,二極管在電子產(chǎn)品中起著越來越重要的作用.二極管相關(guān)

5、特性都可能對電子產(chǎn)品性能產(chǎn)生較大影響,尤其是二極管的反向漏電流特性.該特性使用不當(dāng)可能導(dǎo)致電子產(chǎn)品不能正常工作甚至造成嚴(yán)重的安全事故,如燒壞、爆炸等,因此需要測量該特性的儀器.傳統(tǒng)測量方法是用電壓表直接測其反向電壓,用電流表測其漏電流,操作很不方便,而且高壓帶電操作很容易發(fā)生安全事故.本文設(shè)計(jì)了一款新式的測試儀,具有低電壓測量、實(shí)時(shí)顯示反向電壓、反向電流以及當(dāng)前環(huán)境溫*收稿日期:2008-12-24基金項(xiàng)目:湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(05JJ305115)作者簡介:晏敏(1963-),男,湖南長沙人,湖南大學(xué)副教授,1度等功能,操作簡易.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能該測試儀用來測試二極管的反向電流以及當(dāng)

6、前外界條件即反向電壓和當(dāng)前環(huán)境溫度,主要由橋電路、溫度傳感器、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制核心單片機(jī)5部分組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,溫箱給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的溫度.第2期晏敏等:二極管反向漏電流特性測試儀的設(shè)計(jì)37儀表放大電路,第2級是同相放大電路.能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)量程檔次:1,100,500和1000.圖1二極管反向漏電流測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Diodereverseleakagecurrenttestersystemstructurediagram圖2輸入部分電路原理圖Fig.2Theinputportionsofthecircuitprinciplediagram2系統(tǒng)原理及硬件電路設(shè)

7、計(jì)21橋電路與溫度傳感器橋電路與溫度傳感器原理如圖2所示.橋式電路由R1,R2,R3,R4(電阻精度為!1%)和被測二極管Dx組成,E是外界施加給橋式電路的激勵(lì).該電路可以間接測出二極管Dx的反向電壓VR和反向漏電流IR,表達(dá)式如式(1)和(2)所示.若電路滿足R1=R2,R3=R4和R1/R3=200.從式(1)和(2)可以看出只要測出(VP-Vn)的值和VP即可.由于二極管的反向電阻很大,導(dǎo)致VP相對Vn大得多,這樣測量大信號VP相對于測量微弱信號Vn更方便、準(zhǔn)確.因此設(shè)計(jì)中不宜直接測量Vn得到IR.同時(shí)通過該關(guān)系式,直接將高壓測量轉(zhuǎn)換成了低壓測量,保證了測量時(shí)的安全性.VR=E-Vm=(

8、Vp-Vn)(1+(R1/R3),VR=201(Vp-Vn),IR=Vp-(Vp-Vn)/R4.(1)(2)表1CD4052輸入輸出邏輯關(guān)系Tab.1CD4052input/outputlogicalrelationship片選(IO1,IO0)00011011XiX0X1X2X3YiY0Y1Y2Y3Vout1Vn000Vout2VpVpVT0最終電壓結(jié)果V(VP-Vn)V(Vp)V(VT)Vos儀表放大電路4由3個(gè)放大器ICL7650組成,ICL7650是Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放,它具有輸入偏置電流為10pA,失調(diào)電壓為1V,輸入阻抗高達(dá)1

9、012,增益高,共模抑制能力強(qiáng),響應(yīng)快,漂移低,性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求.該電路提供固定電壓增益A1.117.1+R8R26第2級同相放大電路U6A(ICL7650)的反饋環(huán)A1=由差分雙向多路開關(guān)U7(CD4052)Y通道和4個(gè)電阻R9,R10,R12和R14組成,U7的片選由單片機(jī)IO2和IO3控制,能夠?qū)崿F(xiàn)4種放大總數(shù)的轉(zhuǎn)換.放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換見表2.表2放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換表Tab.2MagnificationconversiontablesIO3IO200011011A1A1A1A1A1Ai1+R9/R131+R10/R131+R12/R131+R10/R13最終放大倍數(shù)(1

10、+R9/R13)A1=1(1+R10/R13)A1=100(1+R12/R13)A1=500(1+R10/R13)A1=10005溫度傳感器LM352主要測量二極管所處的環(huán)境溫度,分析不同溫度下的二極管反向漏電流特性.LM35是電壓輸出式集成溫度傳感器,在常溫下,不需要額外的校準(zhǔn)處理,達(dá)到!1/4準(zhǔn)確度,其輸出電壓VT與溫度T的線性關(guān)系見公式(3).VT=0.01T.(3)圖2中,U1(CD4052)是一個(gè)差分多路開關(guān),其導(dǎo)通電阻約為100,相對于電壓輸入部分運(yùn)算放大器的輸入電阻(1012)可以忽略不計(jì).電壓Vn,Vp和VT在IO0和IO1片選端的控制下可以分時(shí)通過該差分多路開關(guān)傳輸?shù)絍out

11、1和Vout2端,以提供給差分輸入端3.CD4052的輸入輸出邏輯關(guān)系見表1.22程控放大電路設(shè)計(jì)程控放大部分是把輸入電壓轉(zhuǎn)換到AD轉(zhuǎn)換器.,設(shè)計(jì)中差分雙向多路開關(guān)U7的Y通道置于6(),38湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2010年-10這樣消除了工作時(shí)多路開關(guān)Y通道導(dǎo)通電阻對電壓放大倍數(shù)的影響,大大提高了測量精度.因此,最終電壓經(jīng)過X通道輸出Vadin.程控放大電路原理圖如圖3所示,A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804接收X通道輸出的Vadin,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量.芯片ADC0804是8位AD轉(zhuǎn)換器,它本身具有的精度為5V/256#20mV.由于放大倍數(shù)可達(dá)1000倍,因此測量精度可達(dá)20V.設(shè)定R4=

12、100k,可以測量反向電流的數(shù)量級達(dá)10A.該部分PCB設(shè)計(jì)中注意把ADC0804的數(shù)字地和電源以及模擬芯片的地分開,最終連接在一起,防止干擾使ADC0804工作不穩(wěn)定.單片機(jī)采用AT89S51作為控制系統(tǒng),采集從ADC0804轉(zhuǎn)換來的數(shù)字量7,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,最終通過液晶顯示.設(shè)計(jì)中還配置了兩個(gè)功能鍵S1和S2,如圖3所示.S1表示開始測試,S2表示暫停測試.6圖3程控放大電路原理圖Fig.3SPCamplifiercircuitprinciplediagram3軟件設(shè)計(jì)該測試儀是在軟件的配合下完成測試的.軟件主要包括系統(tǒng)初始化子程序、輸入部分傳輸通道控制子程序、放大倍數(shù)控制子程序、A/D

13、轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)修正處理子程序、液晶顯示子程序和功能鍵子程序7部分.其中液晶顯示子程序和功能鍵子程序都是采用定時(shí)中斷去實(shí)現(xiàn),提高了單片機(jī)的利用率.傳輸通道控制子程序使控制端IO1和IO0分時(shí)為0001101100,完成輸入通道的選擇;放大倍數(shù)控制子程序?qū)崿F(xiàn)從倍數(shù)小到大的方向進(jìn)行選擇,直到讀出的數(shù)據(jù)在設(shè)定的范圍內(nèi)(大于0.2V,小于5V)就停止選擇放大倍數(shù),當(dāng)放大倍數(shù)超過1000還沒有在設(shè)定的范圍時(shí),將提示超出測量范圍;數(shù)據(jù)修正處理子程序主要包括A/D對數(shù)據(jù)進(jìn)行10次采樣取平均值和每次相同倍數(shù)下系統(tǒng)失調(diào)電壓的處理.系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示.圖4系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4Systemsoftware

14、flowchart4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了驗(yàn)證測試儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,采用IN4007二極管作為被測二極管,測試結(jié)果和陜西國泰電子儀器有限公司的微電流測試儀納安表測試(測試電流范圍為110-1120mA,基本準(zhǔn)確度:第2期晏敏等:二極管反向漏電流特性測試儀的設(shè)計(jì)390.5%1%)的結(jié)果相比較.二極管IN4007參數(shù)Is=0.2682nA,Isr=0.1565nA,BV=1200V.通過外界預(yù)設(shè)電壓和恒溫箱調(diào)整環(huán)境溫度,測得的結(jié)果見表3.第1組是本設(shè)計(jì)測試儀的結(jié)果,第2組是采用納安表測試的結(jié)果,用來作為測試儀的標(biāo)準(zhǔn).二極管IN4007的伏安特性與溫度的關(guān)系如圖5所示,實(shí)線表示的是第1組測試儀實(shí)測數(shù)據(jù),

15、虛線表示的是采用納安表測試的結(jié)果.測量誤差曲線如圖6所示.測量誤差為:P=(第1組的測量值-第2組的測量值)/第2組的測量值100%.從圖6可以看出:最壞情況下,30時(shí),相對誤差為0.79%,60時(shí),相對誤差8為0.19%,90時(shí),相對誤差為0.048%.考慮納安表的準(zhǔn)確度,最壞情況下,該測試儀的準(zhǔn)確度為1.79%.測試儀隨溫度的升高誤差減小;相同溫度下,反向電壓越高,其誤差越小.表3IN4007測試數(shù)據(jù)表Tab.3IN4007testdatatableIR/nAT/第1組3060900.8927.75548.44420V第2組0.8857.74848.432第1組1.27210.89767.

16、573100V第2組1.26510.89067.540第1組1.92816.324100.16500V第2組1.91816.31099.991第1組2.27219.157117.26900V第2組2.26519.148117.13參考文獻(xiàn)1賈云鵬,孫月辰.高壓二極管中局域鉑摻雜的壽命控制新技術(shù)J.半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2006,18(2):106-109.JIAYunpeng,SUNYuechen.Axiallocallifetimecontrolinhighvoltagediodesbasedonproximitygetteringofplatinumbyprotonimplantationdamag

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