王 龍，柴志軍

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

晶體管在電路中具有檢波、放大、整流、開關(guān)、信號(hào)調(diào)制等多種功能[1]。常用的晶體管包括二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。晶體管圖示儀可用于選擇晶體管類型、測(cè)量晶體管特性參數(shù)[2]。模擬式晶體管圖示儀是基于模擬電路的純硬件電路設(shè)計(jì)，通過顯像管顯示輸入、輸出特性曲線，測(cè)量過程中讀數(shù)誤差較大，無法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理。

2008年，林益平[3]實(shí)現(xiàn)了晶體管特性曲線的LCD顯示，但無法保存和處理測(cè)量數(shù)據(jù)；2013年，劉舉平等[4]利用SPCE061A單片機(jī)把測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，通過LabVIEW軟件進(jìn)行圖示處理并保存，顯示結(jié)果依賴LabVIEW軟件；2015年，劉士興等[5]采用STM32處理器通過LCD液晶屏繪制三極管特性曲線和顯示特性參數(shù)，但晶體管測(cè)量類型單一且測(cè)量數(shù)據(jù)無法保存；2016年，馮婷婷[6]設(shè)計(jì)出基于微處理器的晶體管圖示儀，通過LCD顯示多類型晶體管特性曲線，但晶體管各項(xiàng)特性參數(shù)顯示依賴PC上位機(jī)；2019年，日本巖通計(jì)測(cè)(IWATSU)公司研制的半導(dǎo)體曲線圖示儀CS-3000可以通過LCD顯示晶體管的特性曲線和各項(xiàng)特性參數(shù)，但此儀器售價(jià)高，維護(hù)不便[7]。

本文提出的數(shù)字式晶體管圖示儀(以下簡(jiǎn)稱圖示儀)以STM32F103作為嵌入式處理器，通過外圍電路測(cè)量晶體管輸入、輸出特性曲線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過保存和處理得到晶體管特性參數(shù)，測(cè)量結(jié)果通過LCD顯示?？梢酝ㄟ^按鍵選擇實(shí)現(xiàn)多種晶體管曲線和晶體管參數(shù)的測(cè)量，具有數(shù)字化程度高、數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

1 晶體管特性曲線測(cè)量原理與電路設(shè)計(jì)

1.1 晶體管特性曲線測(cè)量原理

晶體管的輸入特性曲線和輸出特性曲線為各電極之間的電壓、電流的關(guān)系，用于對(duì)晶體管的性能、參數(shù)和晶體管電路的分析估算。以三極管為例，輸入特性曲線為集電極與發(fā)射極間電壓uCE一定的情況下，基極連續(xù)可調(diào)電流iB與發(fā)射結(jié)電壓uBE之間的關(guān)系曲線；輸出特性曲線為基極電流iB為常量時(shí)，集電極電流iC與管壓降uCE之間的關(guān)系曲線[8]。

三極管特性曲線測(cè)量原理見圖1。測(cè)量輸入特性曲線：設(shè)定掃描電壓uCE為定值并在基極施加階梯電流iB，經(jīng)發(fā)射結(jié)電壓采樣得到uBE，可繪制輸入特性曲線。測(cè)量輸出特性曲線：設(shè)定iB為定值并在集電極施加可調(diào)電壓uCE，經(jīng)集電極采樣電阻采樣得到集電極電流iC，可繪制輸出特性曲線，改變iB大小繪制一簇輸出特性曲線[9]。

圖1 三極管特性曲線測(cè)量原理Fig.1 Principle of triode characteristic measurement

1.2 圖示儀電路設(shè)計(jì)

圖示儀系統(tǒng)框圖見圖2。由圖2可見，圖示儀系統(tǒng)由LCD顯示模塊、按鍵控制、存儲(chǔ)器、核心處理器、DAC模塊、ADC模塊、基極電流源、集電極電壓源、集電極電流采樣、發(fā)射結(jié)電壓采樣組成。嵌入式處理器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103芯片，內(nèi)嵌SPI、I2C、UART、I/O等硬件資源，使本系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[10-11]。存儲(chǔ)器采用華邦電子公司的W25Q64BV芯片，采用SPI通信協(xié)議，存儲(chǔ)大小為8 MB，數(shù)據(jù)掉電不丟失。DAC采用美國(guó)MICROCHIP公司的12位MCP4725芯片，采用I2C通信協(xié)議，輸出范圍0～5 V，分辨率為1.2 mV[12]。ADC采用美國(guó)德州儀器公司的16位4通道ADS1117芯片，采用I2C通信協(xié)議，采集范圍0～5 V，分辨率為0.76 mV[13]。LCD采用正點(diǎn)原子公司的11.55 cm TFT液晶屏。通過按鍵選擇晶體管的類型和測(cè)量模式，根據(jù)設(shè)定好的程序進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果顯示在LCD液晶屏上[12]。由于DAC的輸出和ADC的采集范圍都為0～5 V，需要經(jīng)過平移、放大電路，才能滿足不同類型晶體管的測(cè)試條件。

圖2 圖示儀系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of graphic instrument system

1.3 基極電流源

DAC1輸出電壓uDA1與參考電壓UREF做平移運(yùn)算后，經(jīng)過V—I(電壓—電流)轉(zhuǎn)換電路得到基極電流iB，電路見圖3。

圖3 基極電流電路Fig.3 Circuit of base current source

由圖3可見，運(yùn)放A1構(gòu)成差分電路[14]，可知運(yùn)放A1輸出電壓uO1：

(1)

其中：R1=R3，R2=R4=2R1，UREF=2.5 V，uDA1電壓范圍為0～5 V，分辨率為1.2 mV，則電壓輸出范圍為-5～5 V，分辨率為2.4 mV。運(yùn)放A2和A3組成V-I轉(zhuǎn)換電路，輸出電流iB：

(2)

其中:電壓uO1范圍-5～5 V，分辨率為2.4 mV，RS為1 kΩ，則基極電流iB輸出范圍-5～5 mA，分辨率為2.4 μA。

1.4 集電極電壓源

DAC2輸出電壓uDA2與參考電壓UREF做平移運(yùn)算后，經(jīng)過放大電路輸出電壓uCE，電路見圖4。由圖4可見，運(yùn)放A4組成的差分放大電路，DAC2輸出電壓uDA2范圍為0～5 V，分辨率為1.2 mV。三極管Q1、Q2組成功率放大電路[15]，拓展輸出電流范圍提升帶負(fù)載能力。根據(jù)式(1)可知，電阻R16、R13和R11控制整個(gè)放大電路的增益A：

圖4 集電極電壓電路Fig.4 Circuit of collector voltage source

(3)

其中：R16=10 Ω，R13=30 kΩ，R11=50 kΩ得到A≈6。差分放大電路將DAC2輸出電壓范圍平移放大6倍得到電壓uCE為-15～15 V，分辨率為7.2 mV。

1.5 集電極電流采樣和發(fā)射結(jié)電壓采樣

集電極電流采樣電路見圖5。RSC為0.1%精度的1 Ω采樣電阻，通過采樣電阻將待測(cè)電流iC轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)儀表放大器放大后送入ADC通道1采集數(shù)據(jù)，采集精度為0.76 mV。儀表放大器選用TI公司的INA214，參考電壓UREF為2.5 V，放大倍數(shù)為100倍，具有低漂移、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等優(yōu)點(diǎn)[16]。電壓uAD1輸出關(guān)系為

圖5 集電極電流采樣電路Fig.5 Collector current sampling circuit

uAD1=100iCRSC+2.5

(4)

發(fā)射結(jié)電壓采樣電路見圖6。運(yùn)放A6為電壓跟隨器，防止測(cè)量電路分流iB，其輸出接入由運(yùn)放A7組成的平移電路。發(fā)射結(jié)電壓uBE經(jīng)過電壓跟隨器，與參考電壓UREF做運(yùn)算后得到uAD2，送入ADC2采集數(shù)據(jù)，采集精度為0.76 mV。

圖6 發(fā)射結(jié)電壓采樣電路Fig.6 Voltage sampling circuit of transmitting junction

1.6 場(chǎng)效應(yīng)管和二極管測(cè)量

場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線測(cè)量與三極管相似，只需將基極電流源變換為柵極電壓源，通過與三極管類似的測(cè)量可得到場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線。二極管的伏安特性曲線測(cè)量可以利用集電極電壓源電路部分，通過電流采樣可得到伏安特性曲線。

2 圖示儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖示儀系統(tǒng)軟件流程圖見圖7。由圖7可見，圖示儀系統(tǒng)軟件部分包括系統(tǒng)初始化、檢測(cè)按鍵、DAC輸出數(shù)據(jù)、ADC采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示等。首先圖示儀系統(tǒng)對(duì)定時(shí)器、DAC和ADC、LCD、存儲(chǔ)器、按鍵等進(jìn)行初始化，初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待按鍵觸發(fā)中斷，按鍵選擇被測(cè)管類型、極性和測(cè)量模式，執(zhí)行相應(yīng)功能的子程序，完成本次測(cè)量等待下次測(cè)量。

圖7 圖示儀系統(tǒng)軟件流程Fig.7 Flow of graphic instrument system software

以三極管輸出特性曲線的LCD顯示子程序?yàn)槔?，子程序流程圖見圖8。由圖8可見，進(jìn)入子程序后，LCD初始化界面顯示坐標(biāo)軸、晶體管類型、測(cè)量模式等，STM32控制DAC輸出階梯和掃描信號(hào)，分別經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路得到階梯電流iB和uCE，同時(shí)控制ADC采集iC并存儲(chǔ)顯示此時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)(uCE，iC)，然后增加uCE采集iC并存儲(chǔ)顯示此時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)(uCE，iC)，判斷uCE是否溢出，不是則LCD進(jìn)行描點(diǎn)連線，繼續(xù)增加uCE直至uCE溢出，再判斷iB是否溢出，不是則賦初值uCE并增加iB，重復(fù)上述步驟直至iB溢出，最后處理器對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算選定條件下共射電流放大系數(shù)β，完成本次測(cè)量。其他類型晶體管的特性曲線流程與本流程類似。

圖8 NPN型三極管輸出特性曲線測(cè)量流程Fig.8 Flow of NPN transistor output characteristic curve measurement

3 圖示儀系統(tǒng)測(cè)試分析

設(shè)計(jì)以NPN型三極管2N5551和PNP型三極管2N5401的輸出特性曲線為例進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于NPN型三極管2N5551，在室溫下分別取iB為10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 μA，對(duì)應(yīng)uCE由0.00 V逐漸增加至6.00 V，處理器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存后，通過LCD顯示輸出曲線和共射電流放大系數(shù)β見圖9(a)。對(duì)于PNP型三極管2N5401，在室溫下分別取iB為-10.0、-20.0、-30.0、-40.0、-50.0 μA，對(duì)應(yīng)uCE由0.00 V逐漸增加至-6.00 V，通過LCD顯示輸出曲線和共射電流放大系數(shù)β見圖9(b)。

圖9 圖示儀測(cè)量三極管輸出特性曲線Fig.9 Output characteristic curve of the triode measured by tracer

從處理器保存的數(shù)據(jù)中，選定iB和uCE的條件下，得到共射直流放大系數(shù)β與市售圖示儀YB4811測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

由表1可見，本儀器的測(cè)量精度高于YB4811型晶體管圖示儀，使用者可以根據(jù)需要查看測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過處理器進(jìn)行解析得到相應(yīng)晶體管的特性參數(shù)。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)以STM32F103作為處理器，實(shí)現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、處理、保存及顯示于一體的數(shù)字式晶體管圖示儀?；谇度胧教幚砥鞯哪K化設(shè)計(jì)，解決了測(cè)量數(shù)據(jù)無法保存和數(shù)據(jù)處理的問題； 通過LCD顯示屏可以觀測(cè)晶體管特性曲線和具體參數(shù)；采用16位ADC和12位DAC的設(shè)計(jì)，使采樣精度高。經(jīng)測(cè)試本儀器不僅達(dá)到了與模擬式晶體管圖示儀一樣的顯示特性曲線功能，還完成了保存測(cè)量數(shù)據(jù)、顯示晶體管特性參數(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)試精度高于YB4811型晶體管圖示儀。