基于物聯(lián)網(wǎng)與源測量單元的便攜式晶體管特性測試儀設(shè)計

黃新煜 羅中原 劉廣哲

【摘? 要】介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)與源測量單元的晶體管特性測試儀。內(nèi)容包含基于源測量單元的硬件設(shè)計、上位機的設(shè)計，闡述了主要設(shè)計思想與要點。本設(shè)計與傳統(tǒng)晶體管圖示儀相比，成本更低，便攜易用，在實驗教學中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)晶體管圖示儀構(gòu)成虛擬實驗平臺。

【關(guān)鍵詞】晶體管特性曲線;源測量單元;物聯(lián)網(wǎng);虛擬實驗平臺

引言

對于電子信息類專業(yè)的學生，晶體管的伏安特性，反向擊穿電壓，飽和壓降等需要借助老師的實際演示才能更好理解。文獻提出了基于虛擬儀器的晶體管特性測試儀的研究，文獻提出了簡易晶體管特性測試儀加示波器的研究。但目前大多數(shù)的研究是基于模擬電路和邏輯電路的純硬件電路，沒有數(shù)字化接口，無法對數(shù)據(jù)進一步保存處理，同時仍然不夠便攜。

因此一款便攜性強，多功能，易于數(shù)據(jù)傳輸保存、可遠程查看測試結(jié)果的晶體管特性測試儀對電子行業(yè)從業(yè)者及遠程實驗教學研究有著重要意義。本文提出一套基于物聯(lián)網(wǎng)與源測量單元的便攜式晶體管特性測試系統(tǒng)拓寬使用場景滿足疫情等特殊時期的遠程教學需求。

1.系統(tǒng)框架及原理

本設(shè)計以源測量單元為核心設(shè)計晶體管特性測試儀，在下位機安裝好晶體管，連接上位機成功后，選擇要測量的晶體管類型開始測量。此時可以在上位機選擇基極電流IB，或者IB階梯變化，測得一族曲線。測量時： 基極電流IB、發(fā)射極電壓VCE和集電極電流IC 會通過云平臺發(fā)送到上位機，在上位機繪制輸出特性曲線。這樣就可以設(shè)計一個基于物聯(lián)網(wǎng)與源測量單元的晶體管特性測試儀。

測量電路能測得伏安輸出特性曲線。以基極電流IB為參變量，發(fā)射極之間的電壓VCE為橫坐標，縱坐標為集電極電流IC。當IB階梯變化時，表示為一族曲線。

2.硬件設(shè)計

本設(shè)計選擇的SMU電路是基于圖1所示的串聯(lián)量測電阻下有源分流SMU電路架構(gòu)，半導體器件測試儀除了SMU電路，還需要處理器、ADC/DAC模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊（WIFI接口、USB接口）。

2.1主控制器最小系統(tǒng)部分

處理器采用ST（意法半導體）公司STM32F1系列的STM32F103RCT6，其最大工作主頻為72MHz、支持 USB2.0協(xié)議通訊、具有三個12位高精度 ADC、兩個12位高精度 DAC、2個I2C接口、5個UART接口、3個SPI接口和51個GPIO接口，使得本系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

2.2有源分流源測量單元部分

SMU部分電路參照圖2.2進行設(shè)計，S1、S2為功能選擇開關(guān)，當S1和S2都向下時，系統(tǒng)處于電壓源工作模式，當S1和S2都向上時，系統(tǒng)處于電流源模式。S3為量程選擇開關(guān)，當S3在下方時，系統(tǒng)處于大量程模式，當S3在上方時，系統(tǒng)處于小量程模式。SMU源輸出接口采用射頻接口BNC（母口），射頻接口可以屏蔽環(huán)境電磁干擾，使得測量電路抗干擾能力增強。

VI0、VI1、VHI為三個測量點位，SMU的源測量功能通過采集VDUT的電壓與VI0、VI1、VHI三個電位點來實現(xiàn)。

2.3 ADC電壓采集部分

由上述：SMU的源測量功能通過采集VDUT的電壓與VI0、VI1、VHI三個電位點來實現(xiàn)。通過采用ADS8684的四路模擬輸入通道來實現(xiàn)對于VDUT、VI0、VI1、VHI的采集，其中每個通道都加了前級輸入RC濾波器，其目的是提高模擬信號的采樣精度、消除高頻噪聲。

2.4 DAC源輸入電路部分

DAC8802是一個二象限乘法器DAC，用來生成單極輸出。IOUT極性與參考電壓VREF 成反比。本設(shè)計需要四象限乘法功能即雙極性輸出擺幅。

外部運算放大器作為求和放大器。 A1與A2提供2倍的增益，使輸出范圍擴大到 2VREF。其中輸出電壓VOUT的計算公式如為：

2.5系統(tǒng)電源部分

數(shù)字可編程電源由STM32嵌入式處理器內(nèi)嵌12位DAC、減法電路和三端可調(diào)穩(wěn)壓器等構(gòu)成。DAC輸出控制電壓模擬量VDA，該電壓與運算放大器的參考電壓VR做運算后通過控制三端可調(diào)穩(wěn)壓器，最后通過BOOST升壓開關(guān)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的笨重高壓包，從0V開始輸出階梯電壓實現(xiàn)0～100+V 的可編程電壓輸出。

SMU源測量單元具有模擬電路部分和數(shù)字電路部分，為了保證系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性必須進行模擬地與數(shù)字地的隔離。

3.上位機軟件設(shè)計

晶體管特性測試儀上位機用Qt（跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架）進行開發(fā)。打開程序后，點擊串口控制界面或WIFI控制界面，用戶可選擇有線連接和無線連接兩種方式。與下位機成功連接后，點擊WAVE界面可以繪制實時晶體管伏安特性曲線波形，點擊數(shù)據(jù)庫界面可查看保存相關(guān)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。

4.測試分析

經(jīng)測試，本儀器電壓0～200v連續(xù)可調(diào)、靈敏度為0.1uA、采樣率可達200 MSa/s。測試數(shù)據(jù)可選擇有線或無線方式上傳給上位機進行顯示，并且測試數(shù)據(jù)能完整的保存下來。可用于后續(xù)的研究調(diào)用。

5.結(jié)束語

經(jīng)過測試本儀器達到了直觀方便、便攜實用、測試準確的設(shè)計目標，采樣率在200 MSa/s。該系統(tǒng)中使用的芯片很容易在市場上買到，并且價格相對便宜，可以滿足高校電子信息類專業(yè)的教學實驗需求，便利電子行業(yè)從業(yè)者和科研人員。

參考文獻

[1]劉俊. 基于虛擬儀器的晶體管特性測試儀的研究[D].重慶大學，2008.

[2]黃建凡.簡易晶體管特性測試儀[J].科技風，2010（17）：238+240.

[3]劉小艷，張尊僑，金平.晶體管輸出特性曲線測試儀設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（01）：59-61+73.

[4]馬旭鵬. 基于新型源測量單元的半導體器件特性測試系統(tǒng)的研究[D].天津工業(yè)大學，2020.