二极管反向漏电流特性测试仪的设计

1、第37卷第2期2010年2月文章编号:16742974(2010)02003604湖南大学学报(自然科学版)JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)Vol.37,No.2Feb2010二极管反向漏电流特性测试仪的设计晏敏,侯志春,刘艳,李旭1121*(1.湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082;2.广汽本田汽车有限公司焊装二科,广东广州510700)摘要:设计了一款在0100和反向电压VR为01000V条件下,能够测试二极管反向漏电流特性的测试仪.它采用桥式输入、ICL7650组成的高精度放大电路、ADC0804和AT89S51完成了高压到

2、低压的转换、信号的放大、采样、量化及显示,通过编程软件对测试结果进行修正,提高系统的测量精确度.对二极管IN4007的测试结果表明:所得反向漏电流分辨率达0.1nA,准确度达1.79%.关键词:二极管;反向漏电流;桥式输入;ICL7650;精确度中图分类号:TN305文献标识码: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随着电子技术的不断发展,二极管在电子产品中起着越来越重要的作用.二极管相关

5、特性都可能对电子产品性能产生较大影响,尤其是二极管的反向漏电流特性.该特性使用不当可能导致电子产品不能正常工作甚至造成严重的安全事故,如烧坏、爆炸等,因此需要测量该特性的仪器.传统测量方法是用电压表直接测其反向电压,用电流表测其漏电流,操作很不方便,而且高压带电操作很容易发生安全事故.本文设计了一款新式的测试仪,具有低电压测量、实时显示反向电压、反向电流以及当前环境温*收稿日期:2008-12-24基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(05JJ305115)作者简介:晏敏(1963-),男,湖南长沙人,湖南大学副教授,1度等功能,操作简易.1系统结构及功能该测试仪用来测试二极管的反向电流以及当

6、前外界条件即反向电压和当前环境温度,主要由桥电路、温度传感器、程控放大器、A/D转换器和控制核心单片机5部分组成.系统结构框图如图1所示,温箱给系统提供稳定的温度.第2期晏敏等:二极管反向漏电流特性测试仪的设计37仪表放大电路,第2级是同相放大电路.能够实现4个量程档次:1,100,500和1000.图1二极管反向漏电流测试仪系统结构框图Fig.1Diodereverseleakagecurrenttestersystemstructurediagram图2输入部分电路原理图Fig.2Theinputportionsofthecircuitprinciplediagram2系统原理及硬件电路设

7、计21桥电路与温度传感器桥电路与温度传感器原理如图2所示.桥式电路由R1,R2,R3,R4(电阻精度为!1%)和被测二极管Dx组成,E是外界施加给桥式电路的激励.该电路可以间接测出二极管Dx的反向电压VR和反向漏电流IR,表达式如式(1)和(2)所示.若电路满足R1=R2,R3=R4和R1/R3=200.从式(1)和(2)可以看出只要测出(VP-Vn)的值和VP即可.由于二极管的反向电阻很大,导致VP相对Vn大得多,这样测量大信号VP相对于测量微弱信号Vn更方便、准确.因此设计中不宜直接测量Vn得到IR.同时通过该关系式,直接将高压测量转换成了低压测量,保证了测量时的安全性.VR=E-Vm=(

8、Vp-Vn)(1+(R1/R3),VR=201(Vp-Vn),IR=Vp-(Vp-Vn)/R4.(1)(2)表1CD4052输入输出逻辑关系Tab.1CD4052input/outputlogicalrelationship片选(IO1,IO0)00011011XiX0X1X2X3YiY0Y1Y2Y3Vout1Vn000Vout2VpVpVT0最终电压结果V(VP-Vn)V(Vp)V(VT)Vos仪表放大电路4由3个放大器ICL7650组成,ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放,它具有输入偏置电流为10pA,失调电压为1V,输入阻抗高达1

9、012,增益高,共模抑制能力强,响应快,漂移低,性能稳定及价格低廉等优点,能够满足本设计的要求.该电路提供固定电压增益A1.117.1+R8R26第2级同相放大电路U6A(ICL7650)的反馈环A1=由差分双向多路开关U7(CD4052)Y通道和4个电阻R9,R10,R12和R14组成,U7的片选由单片机IO2和IO3控制,能够实现4种放大总数的转换.放大倍数转换见表2.表2放大倍数转换表Tab.2MagnificationconversiontablesIO3IO200011011A1A1A1A1A1Ai1+R9/R131+R10/R131+R12/R131+R10/R13最终放大倍数(1

10、+R9/R13)A1=1(1+R10/R13)A1=100(1+R12/R13)A1=500(1+R10/R13)A1=10005温度传感器LM352主要测量二极管所处的环境温度,分析不同温度下的二极管反向漏电流特性.LM35是电压输出式集成温度传感器,在常温下,不需要额外的校准处理,达到!1/4准确度,其输出电压VT与温度T的线性关系见公式(3).VT=0.01T.(3)图2中,U1(CD4052)是一个差分多路开关,其导通电阻约为100,相对于电压输入部分运算放大器的输入电阻(1012)可以忽略不计.电压Vn,Vp和VT在IO0和IO1片选端的控制下可以分时通过该差分多路开关传输到Vout

11、1和Vout2端,以提供给差分输入端3.CD4052的输入输出逻辑关系见表1.22程控放大电路设计程控放大部分是把输入电压转换到AD转换器.,设计中差分双向多路开关U7的Y通道置于6(),38湖南大学学报(自然科学版)2010年-10这样消除了工作时多路开关Y通道导通电阻对电压放大倍数的影响,大大提高了测量精度.因此,最终电压经过X通道输出Vadin.程控放大电路原理图如图3所示,A/D转换器ADC0804接收X通道输出的Vadin,将模拟量转换成数字量.芯片ADC0804是8位AD转换器,它本身具有的精度为5V/256#20mV.由于放大倍数可达1000倍,因此测量精度可达20V.设定R4=

12、100k,可以测量反向电流的数量级达10A.该部分PCB设计中注意把ADC0804的数字地和电源以及模拟芯片的地分开,最终连接在一起,防止干扰使ADC0804工作不稳定.单片机采用AT89S51作为控制系统,采集从ADC0804转换来的数字量7,并进行数据的处理,最终通过液晶显示.设计中还配置了两个功能键S1和S2,如图3所示.S1表示开始测试,S2表示暂停测试.6图3程控放大电路原理图Fig.3SPCamplifiercircuitprinciplediagram3软件设计该测试仪是在软件的配合下完成测试的.软件主要包括系统初始化子程序、输入部分传输通道控制子程序、放大倍数控制子程序、A/D

13、转换子程序、数据修正处理子程序、液晶显示子程序和功能键子程序7部分.其中液晶显示子程序和功能键子程序都是采用定时中断去实现,提高了单片机的利用率.传输通道控制子程序使控制端IO1和IO0分时为0001101100,完成输入通道的选择;放大倍数控制子程序实现从倍数小到大的方向进行选择,直到读出的数据在设定的范围内(大于0.2V,小于5V)就停止选择放大倍数,当放大倍数超过1000还没有在设定的范围时,将提示超出测量范围;数据修正处理子程序主要包括A/D对数据进行10次采样取平均值和每次相同倍数下系统失调电压的处理.系统软件流程图如图4所示.图4系统软件流程图Fig.4Systemsoftware

14、flowchart4实验结果分析为了验证测试仪的稳定性和准确性,采用IN4007二极管作为被测二极管,测试结果和陕西国泰电子仪器有限公司的微电流测试仪纳安表测试(测试电流范围为110-1120mA,基本准确度:第2期晏敏等:二极管反向漏电流特性测试仪的设计390.5%1%)的结果相比较.二极管IN4007参数Is=0.2682nA,Isr=0.1565nA,BV=1200V.通过外界预设电压和恒温箱调整环境温度,测得的结果见表3.第1组是本设计测试仪的结果,第2组是采用纳安表测试的结果,用来作为测试仪的标准.二极管IN4007的伏安特性与温度的关系如图5所示,实线表示的是第1组测试仪实测数据,

15、虚线表示的是采用纳安表测试的结果.测量误差曲线如图6所示.测量误差为:P=(第1组的测量值-第2组的测量值)/第2组的测量值100%.从图6可以看出:最坏情况下,30时,相对误差为0.79%,60时,相对误差8为0.19%,90时,相对误差为0.048%.考虑纳安表的准确度,最坏情况下,该测试仪的准确度为1.79%.测试仪随温度的升高误差减小;相同温度下,反向电压越高,其误差越小.表3IN4007测试数据表Tab.3IN4007testdatatableIR/nAT/第1组3060900.8927.75548.44420V第2组0.8857.74848.432第1组1.27210.89767.

16、573100V第2组1.26510.89067.540第1组1.92816.324100.16500V第2组1.91816.31099.991第1组2.27219.157117.26900V第2组2.26519.148117.13参考文献1贾云鹏,孙月辰.高压二极管中局域铂掺杂的寿命控制新技术J.半导体学报,2006,18(2):106-109.JIAYunpeng,SUNYuechen.Axiallocallifetimecontrolinhighvoltagediodesbasedonproximitygetteringofplatinumbyprotonimplantationdamag

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