二極管反向漏電流特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘 要:設(shè)計(jì)了一款在0～100 ℃和反向電壓VR為0～1 000 V條件下， 能夠測(cè)試二極管反向漏電流特性的測(cè)試儀.它采用橋式輸入、ICL7650組成的高精度放大電路、ADC0804和AT89S51完成了高壓到低壓的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大、采樣、量化及顯示，通過(guò)編程軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，提高系統(tǒng)的測(cè)量精確度.對(duì)二極管IN4007的測(cè)試結(jié)果表明:所得反向漏電流分辨率達(dá)0.1 nA，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(lèi)號(hào):TN305 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Design of Diode Reverse Leakage Current Tester

YAN Min1，HOU Zhi-chun1，LIU Yan2，LI Xu1

(1.College of Physics and Microelectronics Science， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China;

2. Welding Department Ⅱ， Guangzhou Honda Automobile Co， Ltd， Guangzhou， Guangdong 510700，China)

Abstract:A tester to test diode reverse leakage current at different temperatures(0～100 ℃)and under VR of0to 1 000 V was designed. The tester using input bridge， high-precision amplifier ICL7650， ADC0804 and AT89S51 can complete signal amplification， sampling， quantification and indication， and revise the test results through the programming software.Experiment results have shown that the resolution of the reverse leakage current is up to 0.1 nA， and the accuracy is up to 1.5 percent.

Key words:diodes;reverse leakage current;bridge input;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(lái)越重要的作用.二極管相關(guān)特性都可能對(duì)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^[1]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(cè)量該特性的儀器.傳統(tǒng)測(cè)量方法是用電壓表直接測(cè)其反向電壓，用電流表測(cè)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(cè)試儀，具有低電壓測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示反向電壓、反向電流以及當(dāng)前環(huán)境溫度等功能，操作簡(jiǎn)易.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

該測(cè)試儀用來(lái)測(cè)試二極管的反向電流以及當(dāng)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.

圖1 二極管反向漏電流測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Diode reverse leakage current tester system structure diagram

2 系統(tǒng)原理及硬件電路設(shè)計(jì)

21 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R1，R2，R3，R4(電阻精度為±1%)和被測(cè)二極管Dx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(cè)出二極管Dx的反向電壓VR和反向漏電流IR，表達(dá)式如式(1)和(2)所示.若電路滿足R1=R2， R3=R4和R1/R3=200 Ω.從式(1)和(2)可以看出只要測(cè)出(VP-Vn)的值和VP即可.由于二極管的反向電阻很大，導(dǎo)致VP相對(duì)Vn大得多，這樣測(cè)量大信號(hào)VP相對(duì)于測(cè)量微弱信號(hào)Vn更方便、準(zhǔn)確.因此設(shè)計(jì)中不宜直接測(cè)量Vn得到IR.同時(shí)通過(guò)該關(guān)系式，直接將高壓測(cè)量轉(zhuǎn)換成了低壓測(cè)量，保證了測(cè)量時(shí)的安全性.

VR=E-Vm=(Vp-Vn)(1+(R1/R3) )，

VR=201(Vp-Vn)， (1)

IR=[Vp-(Vp-Vn)]/R4 . (2)

溫度傳感器LM35^[2]主要測(cè)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VT與溫度T的線性關(guān)系見(jiàn)公式(3).

VT = 0.01T .(3)

圖2中，U1(CD4052)是一個(gè)差分多路開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通電阻約為100Ω，相對(duì)于電壓輸入部分運(yùn)算放大器的輸入電阻(1012 Ω)可以忽略不計(jì).電壓Vn，Vp和VT在IO0和IO1片選端的控制下可以分時(shí)通過(guò)該差分多路開(kāi)關(guān)傳輸?shù)絍out1和Vout2端，以提供給差分輸入端^[3].CD4052的輸入輸出邏輯關(guān)系見(jiàn)表1.22 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)換器的量程內(nèi).該部分主要包括兩級(jí)放大電路，第1級(jí)是儀表放大電路，第2級(jí)是同相放大電路.能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)量程檔次:1×，100×，500×和1 000×.

圖2 輸入部分電路原理圖

Fig.2 The input portions of the circuit principle diagram

表1 CD4052輸入輸出邏輯關(guān)系

Tab.1 CD4052 input/output logical relationship

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10 pA， 失調(diào)電壓為1 μV， 輸入阻抗高達(dá)1 012 Ω， 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)^[5]，能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求.該電路提供固定電壓增益A1.

A1=R11R81+2R7R26.

第2級(jí)同相放大電路U6A(ICL7650)的反饋環(huán)由差分雙向多路開(kāi)關(guān)U7(CD4052)Y通道和4個(gè)電阻R9，R10，R12和R14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(jiàn)表2.

表2 放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換表

Tab.2 Magnification conversion tables

設(shè)計(jì)中差分雙向多路開(kāi)關(guān)U7的Y通道置于U6輸出端和X通道輸入端(反饋環(huán)內(nèi)電阻右端)，這樣消除了工作時(shí)多路開(kāi)關(guān)Y通道導(dǎo)通電阻對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響，大大提高了測(cè)量精度.因此，最終電壓經(jīng)過(guò)X通道輸出Vadin.

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Vadin，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5 V/256≈20 mV.由于放大倍數(shù)可達(dá)1 000倍，因此測(cè)量精度可達(dá)20 μV.設(shè)定R4=100kΩ，可以測(cè)量反向電流的數(shù)量級(jí)達(dá)10-10 A.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(kāi)，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)^[6]，采集從ADC0804轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)字量^[7]，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最終通過(guò)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(kāi)始測(cè)試，S2表示暫停測(cè)試.

圖3 程控放大電路原理圖

Fig.3 SPC amplifier circuit principle diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)試儀是在軟件的配合下完成測(cè)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00→01→10→11→00，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0.2 V，小于5 V)就停止選擇放大倍數(shù)，當(dāng)放大倍數(shù)超過(guò)1 000還沒(méi)有在設(shè)定的范圍時(shí)，將提示超出測(cè)量范圍;數(shù)據(jù)修正處理子程序主要包括A/D對(duì)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.4 System software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證測(cè)試儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用IN4007二極管作為被測(cè)二極管，測(cè)試結(jié)果和陜西國(guó)泰電子儀器有限公司的微電流測(cè)試儀納安表測(cè)試(測(cè)試電流范圍為1×10-11～20 mA，基本準(zhǔn)確度:0.5%～1%)的結(jié)果相比較.二極管IN4007參數(shù)Is=0.268 2 nA， Isr=0.156 5 nA，BV=1 200 V.通過(guò)外界預(yù)設(shè)電壓和恒溫箱調(diào)整環(huán)境溫度，測(cè)得的結(jié)果見(jiàn)表3.第1組是本設(shè)計(jì)測(cè)試儀的結(jié)果，第2組是采用納安表測(cè)試的結(jié)果，用來(lái)作為測(cè)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(cè)試儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，虛線表示的是采用納安表測(cè)試的結(jié)果.測(cè)量誤差曲線如圖6所示.測(cè)量誤差為:

P={(第1組的測(cè)量值-第2組的測(cè)量值)/ 第2組的測(cè)量值}×100%.

從圖6可以看出:最壞情況下，30 ℃時(shí)，相對(duì)誤差為0.79%，60 ℃時(shí)， 相對(duì)誤差^[8]為0.19%，

90℃時(shí)， 相對(duì)誤差為0.048%.考慮納安表的準(zhǔn)確度，最壞情況下，該測(cè)試儀的準(zhǔn)確度為1.79%.測(cè)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3 IN4007測(cè)試數(shù)據(jù)表

Tab.3 IN4007 test data table

圖5 二極管 IN4007伏安特性與溫度的關(guān)系

Fig.5 IN4007 with temperature volt-ampere characteristics

VR/V

圖6 測(cè)試儀測(cè)量誤差曲線圖

Fig.6 Instrument measuring error curve

5 結(jié) 論

該測(cè)試儀采用橋式輸入、選擇放大倍數(shù)的開(kāi)關(guān)置于反饋環(huán)內(nèi)和通過(guò)軟件對(duì)結(jié)果修正的方法大大提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度.測(cè)試儀能夠顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、二極管的反向電壓及其反向漏電流，其結(jié)果精度達(dá)0.017 9，具有高的穩(wěn)定性，適應(yīng)生產(chǎn)和教學(xué)的要求.

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