基于STM32的晶體管特性曲線測(cè)試儀

劉士興，劉宏銀，趙 博，魯迎春，易茂祥

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

晶體管特性曲線圖示儀能夠測(cè)量半導(dǎo)體晶體管的靜態(tài)參數(shù)［1］，顯示晶體管的輸入、輸出特性曲線，在高校電子信息類專業(yè)的教學(xué)中獲得了廣泛的應(yīng)用［2］。目前大多數(shù)的晶體管圖示儀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，無法連接到計(jì)算機(jī)上做數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和保存。文獻(xiàn)［3—4］提出了基于單片機(jī)的晶體管特性曲線圖示儀，但顯示需借助于普通示波器［5］；文獻(xiàn)［6］提出的方案，實(shí)現(xiàn)了特性曲線的LCD顯示，但無法保存數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)［7］的數(shù)據(jù)雖然能通過串口傳給計(jì)算機(jī)，但數(shù)據(jù)的處理還得借助Matlab之類的大型軟件。

本文提出的基于STM32F103VET6（以下簡(jiǎn)記為STM32）［8－9］的晶體管特性曲線圖示儀能很好解決上述問題，像專用晶體管特性曲線圖示儀一樣實(shí)現(xiàn)晶體管輸入輸出特性曲線的測(cè)量和顯示，LCD觸摸屏的使用不僅實(shí)現(xiàn)了晶體管特性曲線的顯示功能，還取代了傳統(tǒng)的按鍵操作，同時(shí)基于LabVIEW［10］編寫了上位機(jī)軟件，可由PC端接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及保存?；谇度胧较到y(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)使儀器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，數(shù)字化程度更高，能更好地滿足相關(guān)專業(yè)的教學(xué)要求。

1 測(cè)試原理

以NPN型三極管為例，測(cè)試原理如圖1所示。集電極電流經(jīng)采樣電阻RSC轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)儀表放大器放大后輸入ADC進(jìn)行采樣，再計(jì)算得到集電極電流IC。而集電極與發(fā)射極的極間電壓VCE因采樣電阻上的壓降為mV量級(jí)，分壓作用可忽略，等效為集電極的掃描電壓。

圖1 晶體管輸出特性曲線測(cè)試原理

輸出特性曲線以VCE為橫坐標(biāo)，IC和基極電流IB分別為左右縱坐標(biāo)。當(dāng)IB恒定為一個(gè)階梯電流值時(shí)，VCE一個(gè)掃描周期內(nèi)若干階梯掃描電壓值所對(duì)應(yīng)IC的變化規(guī)律，即一條曲線。當(dāng)IB完成一個(gè)階梯變化時(shí)，即完成了整組輸出特性曲線的測(cè)試。IB與VCE的關(guān)系如圖2所示。其函數(shù)關(guān)系為

圖2 基極階梯電流與集電極掃描電壓的關(guān)系

2 硬件設(shè)計(jì)

儀器采用意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的STM32處理器。該芯片基于超低功耗的ARM Cortex－M3處理器內(nèi)核，片內(nèi)Flash為512KB，片內(nèi)SRAM為64KB，主頻為72MHz。內(nèi)嵌16通道的12位ADC轉(zhuǎn)換器、16通道的12位DAC轉(zhuǎn)換器以及SPI等豐富的外設(shè)資源，使得本系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

圖3為晶體管測(cè)試儀體系結(jié)構(gòu)框圖。測(cè)試儀由基極電流階梯波發(fā)生電路、集電極電壓階梯波發(fā)生電路、STM32嵌入式處理器構(gòu)成的測(cè)量和LCD顯示電路等組成。

圖3 測(cè)試儀體系結(jié)構(gòu)框圖

2.1 基極階梯波發(fā)生電路

本設(shè)計(jì)需要為基極提供階梯狀高精度恒定電流，故選擇LM334作為恒流源芯片。LM334在工作電流內(nèi)，恒流源可調(diào)范圍比為10 000∶1，并且具有1～40 V的動(dòng)態(tài)電壓范圍，恒流特性非常好，只需外接一只電阻即可實(shí)現(xiàn)恒流源的建立。采用數(shù)字電位器取代其外接電阻，即可實(shí)現(xiàn)STM32對(duì)電流源的控制。原理如圖4所示。圖4輸出電流為

IBIAS同ISET存在簡(jiǎn)單的百分比關(guān)系，VR近似為214μV/K，工作溫度取25℃，即298K。則上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

式（2）和式（3）中，RSET為數(shù)字電位器 MAX5402阻值，ISET即為基極電流為IB。輸出電流0～160μA，對(duì)應(yīng)電阻變化范圍為10kΩ～39Ω，電流分辨率達(dá)到0.1μA。

圖4 基極階梯電流產(chǎn)生原理電路

由于NPN晶體管和PNP晶體管的基極電流方向相反，在NPN晶體管電路中－VIN端接到NPN晶體管的基極，＋VIN端接＋5V電壓得到正向電流；而在PNP晶體管電路中＋VIN端接到PNP晶體管的基極，－VIN端接－5V電壓得到反向電流。

2.2 集電極階梯波發(fā)生電路

集電極階梯波發(fā)生電路（見圖5）由STM32嵌入式處理器內(nèi)嵌12位DAC、運(yùn)算放大器和三端可調(diào)穩(wěn)壓器等構(gòu)成。嵌入式處理器控制12位DAC輸出控制電壓模擬量VDA，該電壓與運(yùn)算放大器的參考電壓VR做運(yùn)算后控制三端可調(diào)穩(wěn)壓器從0V開始輸出階梯電壓，實(shí)現(xiàn)0～30V可調(diào)的可編程電壓輸出。

圖5 集電極階梯波產(chǎn)生電路

本儀器選用linear公司的三端穩(wěn)壓電源LT1086產(chǎn)生三極管集電極端的掃描電壓；電壓調(diào)整率為0.015%，負(fù)載調(diào)整率為0.1%。VCE為電壓源的輸出，VREF為三端可調(diào)穩(wěn)壓器的參考電壓，其值為1.25V。輸出電壓VCE如公式（4）所示，調(diào)節(jié)VO即可實(shí)現(xiàn)對(duì)VCE的控制。

圖5所示電路提供合適的VR，經(jīng)減法電路與控制電壓VDA做運(yùn)算得到VO，使得當(dāng)VDA＝0時(shí)，VO＝－1.25V，得到：

VDA由12位的DAC產(chǎn)生，電壓范圍0～3.3V，分辨率為0.8mV，選擇合適的R1和R2的阻值，實(shí)現(xiàn)集電極掃描電壓范圍0～30V，相鄰階梯電壓間距為7.27mV。

2.3 電流測(cè)量電路

如圖6所示，RSC將待測(cè)電流IC轉(zhuǎn)換成待測(cè)電壓，為保證采樣精度，采用了0.1%精度的0.1Ω的低阻值采樣電阻；為實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的幅度變換，使之滿足ADC轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)幅度的要求，需選用儀表放大器。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，采用同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得共模抑制比得到提高。

本儀器選用了TI公司的INA211，其具有放大倍數(shù)為500倍，具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優(yōu)點(diǎn)。有如下關(guān)系：

圖6 測(cè)量電路原理圖

3 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量軟件包括初始化、中斷服務(wù)、LCD顯示、網(wǎng)絡(luò)通信擴(kuò)展程序等。測(cè)量軟件總流程見圖7。開機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)定時(shí)器、LCD、觸摸屏、SD卡、FLASH和網(wǎng)口的初始化。初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，一邊監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口，一邊檢測(cè)來自觸摸屏的中斷，分別對(duì)應(yīng)上位機(jī)顯示和LCD顯示。

以NPN輸出特性的LCD顯示子程序?yàn)槔?，程序流程圖見圖8。NPN的輸出特性曲線為IB恒定的情況下，VCE和IC的變化關(guān)系。VCE每改變一個(gè)值，都需采樣多次做中位值平均濾波。VCE一個(gè)周期結(jié)束，IB的值改變一次，IB預(yù)置了5個(gè)值，畫完5條曲線即完成測(cè)試。其他類型的特性曲線的流程只是稍有不同，這里不再介紹。

4 測(cè)試分析

圖7 測(cè)量軟件總流程

圖8 NPN晶體管輸出特性測(cè)試程序流程

圖9是本系統(tǒng)測(cè)試的S9014三極管的輸出特性曲線。點(diǎn)擊屏幕右側(cè)的IB的數(shù)值，即可顯示對(duì)應(yīng)IB值時(shí)的輸出特性曲線及hFE的值。圖9中所示hFE的值（359.35）為IB為100.6μA時(shí)的放大倍數(shù)。由于基極電流的輸出是基于數(shù)字電位器MAX5402，受限于分辨率，無法達(dá)到精確的40μA和100μA的測(cè)試條件，故以接近的39.8μA與100.6μA作比較。表1給出了本儀器與YB4810的測(cè)試結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果

圖9 LCD顯示的S9014輸出特性曲線

由表1的測(cè)試結(jié)果可以看到，本儀器的測(cè)試精度較高。測(cè)試數(shù)據(jù)也可由網(wǎng)口上傳給上位機(jī)顯示，同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)以電子文檔的方式完整的保存下來?？捎糜诖蛴?shù)據(jù)和電子存檔。

5 結(jié)論

本儀器以STM32F103VET6嵌入式處理器為核心，基于DAVICOM 公司的百兆網(wǎng)絡(luò)［11］驅(qū)動(dòng)芯片DM9000，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的高速傳輸?；陔娮栌|摸屏，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化操作；提供了LCD截屏和上位機(jī)電子存檔兩種數(shù)據(jù)保存的方式。經(jīng)測(cè)試本儀器達(dá)到了工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，相對(duì)誤差在0.5%以內(nèi)，非常適合應(yīng)用于高校電子信息類專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

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