简易半导体三极管参数测试仪

1、编号：099050241037本 科 毕 业 论 文题 目：简易半导体三极管参数测试仪 学 院：物理与电子信息学院 专 业：电子信息科学与技术 年级：09级 姓 名：宣万瑜 指导教师：张红娜 完成日期：2013年5月15日 目录摘 要3Abstract4引 言5一、总体设计51. 方案选择61.1.1 直流稳压电源的设计61.1.2 恒流电流源的设计61.1.3 采样电路的设计71.1.4 液晶电路的设计82. 系统描述8二、理论分析与计算81.三极管类型判断92.放大倍数的计算93.输入、出特性曲线9三、电路与程序设计101. 直流稳压电源102. 恒流电流源103. 采样电路114. 控制

2、部分124.1. 单片机最小系统134.2 D/A转换134.3. A/D采样144.4. 液晶显示154.5. 键盘165 软件设计17四、测试方法及测试结果181.测试条件192. 测试仪器193. 测试方案194. 测试结果20结束语21参考文献21致谢22附录22摘要本系统以AT89C52单片机为最小核心控制单元，并采用总线控制方式设计的一款三极管参数测试仪。其前向通路由恒压电压源、恒流电流源供应基极电流和集电极电压，采用2片4运放TL084和2片2运放TL082输出的三极管集电极电流Ic、三极管基极电流Ib、三极管集电极-发射极电压Vce和三极管基极-发射级电压Vbe,通过模拟开关选

3、路进入ADC0804转换输入单片机进行数据分析处理，通过程序处理的数据经DA转换器TLC7528送入液晶屏幕显示小功率管的交流、直流放大倍数，其显示的输入、输出特性曲线。本系统还可根据前向通路做输出判别被测三极管的类型。经测试发现，该系统可在规定误差范围内正常的工作。 关键字: 恒压源 恒流源 三极管参数 输入特性曲线 输出特性曲线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 随着近几十年电子产业的迅猛发展，半导体三极管的发展也非常的快，所以对半导体三极管的检测是一项非常重要的研究课题，半导体三极管参数测试仪的应用也是十分广泛的，因为其参数范围非常大，所以其测试仪的功能也有很大的不同，有的用来检测其反向饱和电流、 输入特性曲线、输出特性曲线、反向击穿电压等等的参数。 学校实验室用表检用测三极管的放大系数，但其只能用来检测三极管的直流放大系数，专业的参数测试仪器又非常的昂贵，经常满足不了学生的需求，所以此次课题的研究是非常有实际用处的。在设计半导体三极管电路时，三极管的集电极电流、集电极和发射极电压和基极电流是经常需要的，就是用来描述输入特性曲

8、线和输出特性曲线。所以准确又快速的测试出来是最需要的。本以AT89C52单片机为最小核心控制单元，并采用总线控制方式设计的一款半导体三极管参数测试仪，是一款准确有经济的一款测试仪，并且能直接测试半导体三极管的直流放大系数、交流放大系数、输入特性曲线、输出特性曲线，所以很适合在学校的实验室使用。 一、总体设计1. 方案选择 1.1.1 直流稳压电源的设计 方案一：采用DA输出控制集电极电压输入。采用改变DA输出和电阻分压使其能在012V范围内变化。图 1.1.1 直流稳压电源的设计 方案二：该系统的线性稳压电源。采用高精度OP07进行电压放大。通过运放的负端滑动变阻器改变其输出电压使其能在012

9、V内变化。 综合考虑，线性稳压电源易于设置，容易实现。所以该设计采用方案二。1.1.2 恒流电流源的设计 方案一：输入电压10V，串联电阻取电流。通过开关控制并联电阻的阻值从而得到输出电流为10uA，20uA，30uA.图 1.1.2恒流电流源的设计 方案二：恒流电流源的设计。集成运算放大器的功率电压控制电流源。输入电压为1 v,2 v和3 v获得输出电流为1uA，2uA，3 uA。 综合考虑,方案二很简单,高输出精度,易于使用,稳定的输出。因此本系统选择方案二。1.1.3 采样电路的设计 方案一：NPN和PNP两种三极管分别用两路电路测量。集电极发射机电压和集电极发射机反向饱和电流采样通过开

10、关切换档位实现测量。 图 1.1.3采样电路的设计 方案二:使用发射器串联电阻,直接对发射极电流Ice进行测量。这个方案由于电阻两端的电压很低,容易放大和检测。但因为发射极存在电阻,使基级的电位很难确定的,不容易对基级电阻选择，确定Uce也将带来一定的困难。 方案三:使用相同的电路实现测量的两种晶体管反向器来实现对被测量晶体管类型改变电路保持不变。 综上所述，方案三恒压源和恒流源反向器控制其输入,使用反相器实现类型的变化原理更易懂，电路更简单。所以采用方案三。1.1.4 LCD电路的设计 该系统采用的是总线方式控制，本次液晶型号为HM128128M1，但是它本身是不支持总线方式的，所以液晶电路

11、不能只简单通过锁存器把信号送入液晶显示。另外，本液晶屏幕的工作电压为3.3V，而单片机P0口输出电压约为5V，电路中必须接入电阻分压。综合考虑，用单片机书写信号及锁存器74HC573的片选信号采用或非门来控制锁存器的使用，来实现总线的方式控制液晶显示电路。通过锁存器与液晶之间接入330的电阻来分压，及采用SPX1117-33集成芯片来稳压。 2、系统描述 整个设计系统图如下所示。包括前向通路测试模块和单片机控制模块。前向通路测试模块是用来完成采样和信号处理的集电极电流,基极电流,集电极-发射极电压和基地发射极电压;单片机控制模块用于实现数字控制电流源、数字电压源收集、液晶显示控制。数据总线模拟

12、电子开关采样处理数控电流源数控电压源AT89C52单片机LCD采样处理D/A转换测试模块图 1.2. 整体框图二、理论分析与计算1.三极管类型判断 该系统用共射极接法接入待测半导体三极管，根据加在集电极电压的正负就可以判断晶体管类型：如果为正，则该晶体管为NPN型，前向通路输出端1、3、5、7输出接口为正，2、4、6、8输出接口为负；如果加在集电极电压为负则输出刚好相反。如果两个条件都不满足,证明这种晶体管已经损坏。2.放大倍数的计算 当测量三极管放大倍数时，该系统的单片机通过D/A转换器输出并且控制数控电流源及数控电压源为半导体三极管基极提供适当的基极电流和适当的集电极电压。若通过的集电极电

13、流为，所以直流电流放大系数为： 交流电流的放大系数反映了当前动态放大的特性,它被定义为集电极电流的变化与基极电流的变化比: 此系统中一直工作在恒流地区更好的半导体三极管,可以被认为直流放大和交流放大是一致的,所以通过测量两次直流基极电流和集电极电流值来计算电流电流放大的倍数。3.输入特性曲线及输出特性曲线3.1 输入特性曲线： 半导体三极管共射极连接的输入特性曲线对输出电压为参变量时基极电流与发射结压降电压之间的关系进行了描述为： 3.2 输出特性曲线： 半导体三极管共射极连接时的输出特性曲线对当输入电流为某参变量时，集电极电流与电压之间的关系进行了描述。该系统描述了当基极电流分别为10uA，

14、20uA，30uA，在012V范围变化时，变化情况：三、电路与程序设计1. 直流稳压电源 因为系统的输出特性曲线的测试需求描述在集电极电压范围为0 v-12v，但输出电压的D / A单片机系统在5 v-5v范围,不能满足课题要求,因此测试电路前段使用的稳压电源电路，用运算放大器OP07进行放大，在恒压源输出端利用半导体三极管的电流放大特性进行电流放大时。采用调节电路中的滑动变阻器来调节输出电压。电压放大倍数的计算公式为： 图 3.1.直流稳压电源2. 横流电流源 由于测试电路基极输入电流有以下取值：0uA，10uA，20uA，30uA。所以设计电路图如下所示。下图中为D/A输出的控制电压，设流

15、过R18的电流为，设流过R25的电流为，单位为，流向均为向右，所以可以根据虚断和虚短，列出下式： 当改变控制电压时，就可以改变其输出电流，输出的电流也不会随负载有所变化，恒流的效果很好。图 3.2横流电流源3. 采样电路此采样电路包括集电极采样及基极采样。集电极采样输出的是集电极-射极电压和集电极电流，基极采样输出的是基极-射极电压和基极电流。集电极的采样电路：采样电阻两端的电压分别使用电压跟随器时进行差分缩小了1/2，其一路采用直接输出，另一路采用反相器输出。直接输出，输出NPN型半导体三极管的集电极电流。反相器输出，输出PNP型三极管的集电极电流。电压的采样是直接取得集电极的电压，而缩小1

16、/3后在输出NPN型半导体三极管的 基极-射极电压，通过反相器输出PNP型半导体三极管的集电极电压。图 3.3集电极采样电路 此系统采用相同的基极采样电路的想法,三极管是一种电流放大,但基极输入电流小,在通过放大电路放大,对两种不同类型的三级管基极电压的放大三倍或负三倍,但基极电流放大十倍或负十倍。4. 控制部分 此系统所用的外部11.0592M晶体振荡器是单片机的时钟。外部扩展8键简单的键盘，AD取样电路、DA转换电路,8路模拟开关。单片机采用总线控制的方式。采用单片机的片外引脚来进行扩展。P0口提供数据总线，其宽度是8位的，这个口是三态双向口的，是在该系统使用最为频繁的数据通道。提供的数据

17、总线要连接在多个外围芯片上，同一时间只能仅有一个有效的传输通道，因此由地址线控制各芯片的选片选择有效的芯片的通道。本系统的控制功能由P1口提供，外加的P3.6和P3.7口用来控制芯片的读或写功能。4.1. 单片机最小系统控制电路使用宏晶公司AT89C52单片机作为核心控制部件，AT89C52单片机，晶体振荡器，复位电路组成单片机最小系统。此单片机具有以下特点： 8K的Flash程序存储器，512byte的数据存储器，1K的EEPROM，32条I/O口线。与其他单片机比较，AT89C52单片机有超低功耗、超强干扰的特点。有三种模式：1、掉电模式；2、空闲模式和正常工作模式；3、从而节省了功耗。另

18、外，它的输入/输出口、电源、时钟、看门狗和复位电路都经过特殊处理，而减低了外部的干扰。此单片机工作电压较宽，不怕电源抖动 5V：6v-3.4V 3V:4V-1.9V。4.2 D/A转换 由于三极管有NPN和PNP两种型号，测量2种半导体三极管输入输出特性曲线时使用的扫描电压极性是相反的，这就要求控制器输出的控制电压有正负两个极性。我们使用的D/A是TLC7528，TLC7528是CMOS 8位数字-模拟转换器(DAC),其内部集成两路DA输出，并且能方便地与大多数通用的微处理器接口，具有输入锁存与随机存取的存储器，用来写相似的装载周期(load cycles)，能输出精度为1/2 LSB还不需

19、要薄膜电阻和激光微调，其功耗典型值小于5mW。 该系统使用TLC7528典型的应用电路作外围电路。其P0口数据输出到DA的DB0DB7，通过6脚/DACA DACB选择两路输出中的一路，通过一片四运放和两个精密电位器调整输出，输出电压为-5V5V。图 4.2D/A转换4.3. A/D采样该系统采用ADC0804作为A/D转换核心芯片。其内部带时钟，是一个施密特反相器组成的振荡器。电阻R15、电容C15决定时钟频率。此ADC能够自动调零，采用差分输入，VIN+接输入端，VIN-接地。R17用来改变输入电压而改变供检测和使用，还可以做直流电平的偏置电路，采用电容耦合时的交流信号可直接的加在AD转换

20、器输入端。ADC0804是8位精度的AD转换器。图4.3A/D采样4.4. 液晶显示 该系统选用LM018L作为显示器。此液晶有以下几个特点： 1、用户硬件接口有两种模式可供选择：使用标准RS232接口，缺省速率为9600bps，可以调节。使用REQ/BUSY握手通讯协议，简单可靠。 2、电源操作的范围是2.7V-3.6V；软件控制背光开启和闭合，低功率；提供多种指令及各种西文字库。可以提供8位并行和串行MPU界面；自动电源启动复位；绘图和文字画面同时显示；能提供外部复置触发接脚。 3、该系统采用并行总线方式控制液晶。由于此液晶本身并不支持总线方式，所以在硬件电路中选择通过单片机P2.0口片选

21、与P3.6口读使能经过六或非门74ALS02输出作为74HC573的片选。由于此液晶的工作电压为2.7-3.6V，但是单片机输出电压约为5V，所以在锁存器输出与液晶输入之间接入330的电阻分压，能够保证液晶正常工作。图4.4液晶显示4.5. 键盘由于此次课题对按键数目要求较少，由于矩阵键盘编程复杂等缺点，此次系统使用独立的按键键盘。由于P3口分别控制8个按键。其按键中接入上拉电阻和电容，起消振作用。图4.5键盘5 软件设计本设计软件设计主要有以下几个部分：1、集电极-发射极反向饱和电流，集电极-发射极反向击穿电压的计算；2、管脚出错报警的设置；3、AD采样前向通路输出，和对数据处理，对直流、交

22、流放大倍数的计算；4、按键扫描及设置；5、液晶显示AD输出数据等功能；6、DA来提供恒流源和恒压源输入电压输出。下图为主要模块程序的流程图(下图是PNP型半导体三极管计算的流程图，NPN型同理设计)：开始程序初始化采样，滤波计算直流放大倍数倍数<30？管脚错误显示放大倍数计算Iceo,Vceo交流放大倍数是图 4.6 AD采样流程图四、测试方法和测试结果1. 测试仪器1、 数字万用表2 、DH1723-1直流四路稳压电源 两台2. 测试方案和方法把程序下载到单片机开发板中连接好硬件电路和系统板以及液晶显示器，首先改变DA输出测试恒压源和恒流源的工作情况。采用分级测试的方法，即芯片的安装不

23、是同时进行的，是测试每一步时安装需要的芯片。最后是安装全部芯片观察输出结果，对数据进行分析。3. 测试结果和数据1.恒流源测试结果恒流源测试结果输入电压R20两端电压预计电流输出电流误差1v105.2mv10uA10.52uA5.20%2v192.6mv20uA19.26uA3.70%3v281.5mv30uA28.15uA6.17%表 1 恒流源测试数据 结果分析：此恒流源设计的结果在误差范围内，满足要求。2.恒压源测试结果恒压源测试结果输入电压（v）预设输入电压输出电压误差-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 恒压源测试数据 测试结果分析：此恒压源精度很高，能够满足后续电路提供电流的需要。3.NPN型三极管测试结果 被测试的三极管：NE5551 测试条件：直流输入NPN三级集电极测试结果输入电压（v）基极电流（ua）集电极采样电阻两端电压（mv）输出电压V1(mv)输出电压V2(mv)输出电压V3（mv）输出电压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三极管集电极测试数据NPN三极管基极测试结果输入电压（v）基极电流（uA）基极采样电阻两端电压（mV）输入电压V5(mV)输出电压V6（mV）输出电压V7（mV）输出电压V8（mV）323.240.222.216-2.2092.35-2.334213.80.131.345-1.361.43-1.39815.640.06