二極管反向漏電流特性測試儀的設計

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1、二極管反向漏電流特性測試儀的設計 　　摘 要:設計了一款在0～100 ℃和反向電壓V????R為0～1 000 V條件下, 能夠測試二極管反向漏電流特性的測試儀.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換、信號的放大、采樣、量化及顯示,通過編程軟件對測試結果進行修正,提高系統(tǒng)的測量精確度.對二極管IN4007的測試結果表明:所得反向漏電流分辨率達0.1 nA,準確度達1.79%. 下載論文網 　　 　　關鍵詞:二極管;反向漏電流;橋式輸入;ICL7650;精確度 　　中圖分類號:TN

2、305 文獻標識碼: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 510

3、700,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 in

4、dication, 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 　　 　　隨著電子技術的不斷發(fā)

5、展,二極管在電子產品中起著越來越重要的作用.二極管相關特性都可能對電子產品性能產生較大影響,尤其是二極管的反向漏電流[1]特性.該特性使用不當可能導致電子產品不能正常工作甚至造成嚴重的安全事故,如燒壞、爆炸等,因此需要測量該特性的儀器.傳統(tǒng)測量方法是用電壓表直接測其反向電壓,用電流表測其漏電流,操作很不方便,而且高壓帶電操作很容易發(fā)生安全事故.本文設計了一款新式的測試儀,具有低電壓測量、實時顯示反向電壓、反向電流以及當前環(huán)境溫度等功能,操作簡易. 　　 　　1 系統(tǒng)結構及功能 　　該測試儀用來測試二極管的反向電流以及當前外界條件即反向電壓和當前環(huán)境溫度,主要由橋電路、溫度傳感器、程控放大

6、器、A/D轉換器和控制核心單片機5部分組成.系統(tǒng)結構框圖如圖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試儀系統(tǒng)結構框圖 　　Fig.1 Diode reverse leakage current tester system structure diagram 　　 　　2 系統(tǒng)原理及硬件電路設計 　　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%)和被測二極管D??x組成,E是外界施加給橋式電路的激勵.該電路可以間接測出二極管D??x的反向電壓V??R和反向漏電流I??R,表

7、達式如式(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,導致V??P相對V??n大得多,這樣測量大信號V??P相對于測量微弱信號V??n更方便、準確.因此設計中不宜直接測量V??n得到I??R.同時通過該關系式,直接將高壓測量轉換成了低壓測量,保證了測量時的安全性. 　　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-(

8、V??p-V??n)]/R??4 . (2) 　　溫度傳感器LM35[2]主要測量二極管所處的環(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,不需要額外的校準處理,達到1/4 ℃準確度,其輸出電壓V??T與溫度T的線性關系見公式(3). 　　V??T = 0.01T .(3) 　　圖2中,U1(CD4052)是一個差分多路開關,其導通電阻約為100Ω,相對于電壓輸入部分運算放大器的輸入電阻(10??12?? Ω)可以忽略不計.電壓V??n,V??p和V??T在IO0和IO1片選端的控制下可以分時通過該差分多路開關傳輸?shù)絍????out1??和

9、V????out2??端,以提供給差分輸入端[3].CD4052的輸入輸出邏輯關系見表1.2??2 程控放大電路設計 　　程控放大部分是把輸入電壓轉換到AD轉換器的量程內.該部分主要包括兩級放大電路,第1級是儀表放大電路,第2級是同相放大電路.能夠實現(xiàn)4個量程檔次: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輸入輸出邏輯關系 　　Tab.1 CD4052 input/output logical relationship

10、　　儀表放大電路[4]由3個放大器ICL7650組成,ICL7650是Intersil公司利用動態(tài)校零技術和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放,它具有輸入偏置電流為10 pA, 失調電壓為1 μV, 輸入阻抗高達1 012 Ω, 增益高,共模抑制能力強,響應快,漂移低,性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點[5],能夠滿足本設計的要求.該電路提供固定電壓增益A??1. 　　A??1=R??11??R??81+2R??7R??26??. 　　第2級同相放大電路U6A(ICL7650)的反饋環(huán)由差分雙向多路開關U7(CD4052)Y通道和4個電阻R??9,R??10??,R??12??和R??14??組

11、成,U7的片選由單片機IO2和IO3控制,能夠實現(xiàn)4種放大總數(shù)的轉換.放大倍數(shù)轉換見表2. 　　表2 放大倍數(shù)轉換表 　　Tab.2 Magnification conversion tables 　　 　　設計中差分雙向多路開關U7的Y通道置于U6輸出端和X通道輸入端(反饋環(huán)內電阻右端),這樣消除了工作時多路開關Y通道導通電阻對電壓放大倍數(shù)的影響,大大提高了測量精度.因此,最終電壓經過X通道輸出V??adin??. 　　程控放大電路原理圖如圖3所示,A/D轉換器ADC0804接收X通道輸出的V??adin??,將模擬量轉換成數(shù)字量.芯片ADC0804是8位AD轉換器,它本

12、身具有的精度為5 V/256≈20 mV.由于放大倍數(shù)可達1 000倍,因此測量精度可達20 μV.設定R??4=100kΩ,可以測量反向電流的數(shù)量級達10??-10?? A.該部分PCB設計中注意把ADC0804的數(shù)字地和電源以及模擬芯片的地分開,最終連接在一起,防止干擾使ADC0804工作不穩(wěn)定.單片機采用AT89S51作為控制系統(tǒng)[6],采集從ADC0804轉換來的數(shù)字量[7],并進行數(shù)據的處理,最終通過液晶顯示. 　　設計中還配置了兩個功能鍵S1和S2,如圖3所示.S1表示開始測試,S2表示暫停測試. 　　圖3 程控放大電路原理圖 　　Fig.3 SPC amplifier ci

13、rcuit principle diagram 　　 　　3 軟件設計 　　 該測試儀是在軟件的配合下完成測試的.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轉換子程序、數(shù)據修正處理子程序、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中斷去實現(xiàn),提高了單片機的利用率.傳輸通道控制子程序使控制端IO1和IO0分時為00→01→10→11→00,完成輸入通道的選擇;放大倍數(shù)控制子程序實現(xiàn)從倍數(shù)小到大的方向進行選擇,直到讀出的數(shù)據在設定的范圍內(大于0.2 V,小于5 V)就停止選擇放大倍數(shù),當放大倍數(shù)超過1 000

14、還沒有在設定的范圍時,將提示超出測量范圍;數(shù)據修正處理子程序主要包括A/D對數(shù)據進行10次采樣取平均值和每次相同倍數(shù)下系統(tǒng)失調電壓的處理.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 實驗結果分析 　　 為了驗證測試儀的穩(wěn)定性和準確性,采用IN4007二極管作為被測二極管,測試結果和陜西國泰電子儀器有限公司的微電流測試儀納安表測試(測試電流范圍為110????-11??～20 mA,基本準確度:0.5%??～1%)的結果相比較.二極管IN4007參數(shù)I??s=0.268 2 nA, I??

15、sr??=0.156 5 nA,BV=1 200 V.通過外界預設電壓和恒溫箱調整環(huán)境溫度,測得的結果見表3.第1組是本設計測試儀的結果,第2組是采用納安表測試的結果,用來作為測試儀的標準. 　　 二極管IN4007的伏安特性與溫度的關系如圖5所示,實線表示的是第1組測試儀實測數(shù)據,虛線表示的是采用納安表測試的結果.測量誤差曲線如圖6所示.測量誤差為: 　　 P={(第1組的測量值-第2組的測量值)/ 第2組的測量值}100%. 　　 　　 　　 從圖6可以看出:最壞情況下,30 ℃時,相對誤差為0.79%,60 ℃時, 相對誤差[8]為0.19%, 　　90℃時, 相對誤差為0.

16、048%.考慮納安表的準確度,最壞情況下,該測試儀的準確度為1.79%.測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測試數(shù)據表 　　Tab.3 IN4007 test data table 　　 　　 　　 　　 　　圖5 二極管 IN4007伏安特性與溫度的關系 　　Fig.5 IN4007 with temperature volt-ampere characteristics 　　V????R/V 　　 圖6 測試儀測量誤差曲線圖 　　 Fig.6 Instrument measuring error curve 　　

17、 　　5 結 論 　　該測試儀采用橋式輸入、選擇放大倍數(shù)的開關置于反饋環(huán)內和通過軟件對結果修正的方法大大提高系統(tǒng)的測量精度和準確度.測試儀能夠顯示當前環(huán)境溫度、二極管的反向電壓及其反向漏電流,其結果精度達0.017 9,具有高的穩(wěn)定性,適應生產和教學的要求. 　　參考文獻 　　[1] 賈云鵬,孫月辰.高壓二極管中局域鉑摻雜的壽命控制新技術[J].半導體學報,2006,18(2):106-109. 　　JIA Yun-peng,SUN Yue-chen. Axial local lifetime control in high-voltage diodes based on proxi

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