基于物联网与源测量单元的便携式晶体管特性测试仪设计

2020-03-08黄新煜罗中原刘广哲

理论与创新 2020年23期

黄新煜罗中原刘广哲

【摘要】介绍了一种基于物联网与源测量单元的晶体管特性测试仪。内容包含基于源测量单元的硬件设计、上位机的设计，阐述了主要设计思想与要点。本设计与传统晶体管图示仪相比，成本更低，便携易用，在实验教学中可以代替传统晶体管图示仪构成虚拟实验平台。

【关键词】晶体管特性曲线;源测量单元;物联网;虚拟实验平台

引言

对于电子信息类专业的学生，晶体管的伏安特性，反向击穿电压，饱和压降等需要借助老师的实际演示才能更好理解。文献提出了基于虚拟仪器的晶体管特性测试仪的研究，文献提出了简易晶体管特性测试仪加示波器的研究。但目前大多数的研究是基于模拟电路和逻辑电路的纯硬件电路，没有数字化接口，无法对数据进一步保存处理，同时仍然不够便携。

因此一款便携性强，多功能，易于数据传输保存、可远程查看测试结果的晶体管特性测试仪对电子行业从业者及远程实验教学研究有着重要意义。本文提出一套基于物联网与源测量单元的便携式晶体管特性测试系统拓宽使用场景满足疫情等特殊时期的远程教学需求。

1.系统框架及原理

本设计以源测量单元为核心设计晶体管特性测试仪，在下位机安裝好晶体管，连接上位机成功后，选择要测量的晶体管类型开始测量。此时可以在上位机选择基极电流IB，或者IB阶梯变化，测得一族曲线。测量时：基极电流IB、发射极电压VCE和集电极电流IC 会通过云平台发送到上位机，在上位机绘制输出特性曲线。这样就可以设计一个基于物联网与源测量单元的晶体管特性测试仪。

测量电路能测得伏安输出特性曲线。以基极电流IB为参变量，发射极之间的电压VCE为横坐标，纵坐标为集电极电流IC。当IB阶梯变化时，表示为一族曲线。

2.硬件设计

本设计选择的SMU电路是基于图1所示的串联量测电阻下有源分流SMU电路架构，半导体器件测试仪除了SMU电路，还需要处理器、ADC/DAC模块和数据传输模块（WIFI接口、USB接口）。

2.1主控制器最小系统部分

处理器采用ST（意法半导体）公司STM32F1系列的STM32F103RCT6，其最大工作主频为72MHz、支持 USB2.0协议通讯、具有三个12位高精度 ADC、两个12位高精度 DAC、2个I2C接口、5个UART接口、3个SPI接口和51个GPIO接口，使得本系统的电路结构简单紧凑。

2.2有源分流源测量单元部分

SMU部分电路参照图2.2进行设计，S1、S2为功能选择开关，当S1和S2都向下时，系统处于电压源工作模式，当S1和S2都向上时，系统处于电流源模式。S3为量程选择开关，当S3在下方时，系统处于大量程模式，当S3在上方时，系统处于小量程模式。SMU源输出接口采用射频接口BNC（母口），射频接口可以屏蔽环境电磁干扰，使得测量电路抗干扰能力增强。

VI0、VI1、VHI为三个测量点位，SMU的源测量功能通过采集VDUT的电压与VI0、VI1、VHI三个电位点来实现。

2.3 ADC电压采集部分

由上述：SMU的源测量功能通过采集VDUT的电压与VI0、VI1、VHI三个电位点来实现。通过采用ADS8684的四路模拟输入通道来实现对于VDUT、VI0、VI1、VHI的采集，其中每个通道都加了前级输入RC滤波器，其目的是提高模拟信号的采样精度、消除高频噪声。

2.4 DAC源输入电路部分

DAC8802是一个二象限乘法器DAC，用来生成单极输出。IOUT极性与参考电压VREF 成反比。本设计需要四象限乘法功能即双极性输出摆幅。

外部运算放大器作为求和放大器。 A1与A2提供2倍的增益，使输出范围扩大到 2VREF。其中输出电压VOUT的计算公式如为：

2.5系统电源部分

数字可编程电源由STM32嵌入式处理器内嵌12位DAC、减法电路和三端可调稳压器等构成。DAC输出控制电压模拟量VDA，该电压与运算放大器的参考电压VR做运算后通过控制三端可调稳压器，最后通过BOOST升压开关电路代替传统的笨重高压包，从0V开始输出阶梯电压实现0～100+V 的可编程电压输出。

SMU源测量单元具有模拟电路部分和数字电路部分，为了保证系统的精度和稳定性必须进行模拟地与数字地的隔离。

3.上位机软件设计

晶体管特性测试仪上位机用Qt（跨平台C++图形用户界面应用程序框架）进行开发。打开程序后，点击串口控制界面或WIFI控制界面，用户可选择有线连接和无线连接两种方式。与下位机成功连接后，点击WAVE界面可以绘制实时晶体管伏安特性曲线波形，点击数据库界面可查看保存相关数据到数据库。

4.测试分析