北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 江雪穎 王彥虎 宗博寰 趙治乾 魏淑華 張 靜

基于虛擬儀器的三極管伏安特性測(cè)量的研究

北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 江雪穎 王彥虎 宗博寰 趙治乾 魏淑華 張 靜

本文利用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了三極管伏安特性測(cè)試系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)選用NI公司的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生與采集；軟件設(shè)計(jì)利用NI LabVIEW 8.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)能方便完成三極管測(cè)試電路各節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)的采集和通道控制，采集數(shù)據(jù)的精確處理，以及測(cè)試結(jié)果的顯示和保存。最后利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)三極管伏安特性進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，測(cè)試精度高，操作靈活方便，且擴(kuò)展性強(qiáng)。

虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；伏安特性曲線(xiàn)

1.引言

虛擬儀器將儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實(shí)現(xiàn)了儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成了一種新的儀器模式。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通常需要使用多種測(cè)量?jī)x器來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體的伏安特性曲線(xiàn)和其他參數(shù)。為了降低實(shí)驗(yàn)成本，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，采用虛擬儀器技術(shù)在軟件平臺(tái)LabVIEW上設(shè)計(jì)一種半導(dǎo)體伏安特性測(cè)試系統(tǒng)，可以方便的顯示半導(dǎo)體器件的特性曲線(xiàn)，并且可將主要參數(shù)抽取出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行處理，靈活方便，完全能夠滿(mǎn)足測(cè)試實(shí)驗(yàn)的要求。而且利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性與可擴(kuò)展性，便于后期測(cè)試功能的擴(kuò)展與完善。

2.測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求及整體方案

本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想是充分發(fā)揮虛擬儀器的靈活性，通用性，擴(kuò)展性和強(qiáng)大的軟件功能等優(yōu)點(diǎn)，盡量減少外圍硬件的數(shù)量。要求系統(tǒng)能夠在硬件設(shè)備以及連線(xiàn)大多數(shù)不變的前提下，改變軟件程序就可以實(shí)現(xiàn)三極管等半導(dǎo)體伏安特性曲線(xiàn)的繪制和參數(shù)測(cè)量，這樣的設(shè)計(jì)可以有效降低系統(tǒng)的硬件成本。測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1。

首先需要構(gòu)造外圍測(cè)試電路，將其搭建在接線(xiàn)盒（或面包板）上。然后，執(zhí)行程序，數(shù)據(jù)采集卡會(huì)按照信號(hào)發(fā)生的子程序輸出電壓（電流）掃描信號(hào)，并且從指定的端口采集某元件兩端（或節(jié)點(diǎn)）的電壓（電流）信號(hào)，最后將其反饋到計(jì)算機(jī)做處理。系統(tǒng)采用NI LabVIEW8.2開(kāi)發(fā)的測(cè)試軟件系統(tǒng)，控制測(cè)試系統(tǒng)完成所有的測(cè)試任務(wù)，包括：利用采集卡上的硬件資源產(chǎn)生各種測(cè)試信號(hào)波形，數(shù)據(jù)采集，測(cè)試種類(lèi)的控制，采集數(shù)據(jù)的處理，儀器面板的繪制，以及測(cè)試結(jié)果的顯示，數(shù)據(jù)的保存等等。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器的核心技術(shù)之一。LabVIEW提供了與NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件相配合的豐富軟件資源，使得它能夠方便地將現(xiàn)實(shí)世界中各種物理量數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，從而為計(jì)算機(jī)在測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮其強(qiáng)大的功能奠定了基礎(chǔ)。要將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)里，并對(duì)其進(jìn)行合理的組織，需要組建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集（DataAcQuisition，DAQ）系統(tǒng)。

本測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分選用NI公司的PCI-6251型數(shù)據(jù)采集卡。NI PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡共有16個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道，分別有8個(gè)數(shù)字輸入輸出通道，2個(gè)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，1個(gè)ADC，2個(gè)DAC。16個(gè)模擬輸入通道可以根據(jù)采集方式的不同，用多通道采集多組信號(hào)。因?yàn)橛袃蓚€(gè)DAC，可以并行輸出兩路模擬信號(hào)。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)利用LabVIEW 8.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)。軟件系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)窗口如圖2所示。前面板既接受來(lái)自框圖程序的指令，又是用戶(hù)與程序代碼發(fā)生交互的窗口。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的面板，用于設(shè)置輸入和觀(guān)察輸出，能夠?qū)崟r(shí)的顯示半導(dǎo)體的特性曲線(xiàn)，并能方便的調(diào)節(jié)設(shè)置所需要的各個(gè)參數(shù)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

后面板程序采用平行和嵌套的條件循環(huán)發(fā)生程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功能的發(fā)生與切換的控制。邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一層程序由布爾燈的值來(lái)控制，用來(lái)決定是否產(chǎn)生電壓信號(hào)。第二層程序由功能選擇開(kāi)關(guān)的值來(lái)控制，用來(lái)決定內(nèi)部執(zhí)行的是輸出曲線(xiàn)測(cè)試程序還是輸入曲線(xiàn)測(cè)試程序；同時(shí)，標(biāo)簽切換程序也由功能選擇開(kāi)關(guān)來(lái)控制，用來(lái)切換前面板示波器的文字說(shuō)明。由于第一層程序包含著第二層程序，如果第一層程序不執(zhí)行，則第二層程序無(wú)論為何值都不會(huì)執(zhí)行。

3.測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試電路設(shè)計(jì)

以測(cè)試NPN9013三極管伏安特性曲線(xiàn)為例，測(cè)試電路采用簡(jiǎn)單的共射（對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管為共源）放大電路，與采集卡各端口連接的示意圖如圖4所示。對(duì)應(yīng)的實(shí)際硬件連接電路如圖5所示。

采集卡的通道設(shè)置、端口連接和電阻的取值如下：

①模擬輸出的設(shè)定：

AO:0 通道輸出V0掃描信號(hào)（正弦半波）。如圖，將采集卡上編號(hào)為22的端口接在圖示節(jié)點(diǎn)5處，編號(hào)為55的端口接在圖示節(jié)點(diǎn)1處。（下同，不再贅述）

AO:1 通道輸出V1掃描信號(hào)（階梯波）。

②模擬輸入的設(shè)定：

AI:1 通道采集基極電壓信號(hào)Urb。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)的前面板

圖3 功能控制框架的邏輯結(jié)構(gòu)

圖4 測(cè)試電路設(shè)計(jì)示意圖

圖5 實(shí)際測(cè)試電路的搭建

AI:2 通道采集集電極-射極電壓Uce。

a.測(cè)量輸出特性曲線(xiàn)時(shí)，AI:3 通道采集集電極電流信號(hào)Urc。

b.測(cè)量輸入特性曲線(xiàn)時(shí)，AI:0 通道采集基極—射極電壓Ube。

③電阻的取值：

Re取值為300Ω，Rb取值為4700Ω，Rc取值為2200Ω。

圖6 輸出特性曲線(xiàn)測(cè)試程序框圖

圖7 三極管輸出特性曲線(xiàn)

圖8 輸入特性曲線(xiàn)測(cè)試程序框圖

圖9 三極管輸入特性曲線(xiàn)

3.2 輸出特性曲線(xiàn)的測(cè)試

三極管輸出特性是指在一定的基極電流Ib控制下，三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce同集電極電流Ic的函數(shù)關(guān)系，如公式1。參變量Ib可以用Urb除以Rb的阻值來(lái)求出，參變量Ic可以用Urc除以Rc的阻值來(lái)求出，而Urb與Urc、Uce可以用DAQ板卡來(lái)測(cè)量。

測(cè)試程序如圖6所示。當(dāng)“功能選擇”為（真）測(cè)輸出特性曲線(xiàn)時(shí)，利用循環(huán)分別將各個(gè)時(shí)刻的Uce（2通道）、Ic（3通道）提取，然后錄入移位寄存器，按x-y捆綁后繪制曲線(xiàn)，調(diào)用當(dāng)前時(shí)刻的一個(gè)Ib（1通道）傳入顯示控件作為對(duì)參變量的監(jiān)視。

圖7是參變量Ib=0.18644mA時(shí)Ic隨Uce變化的曲線(xiàn)。

3.3 輸入特性曲線(xiàn)的測(cè)試

三極管輸入特性指三極管輸入回路中，加在基極和發(fā)射極的電壓Ube與由它所產(chǎn)生的基極電流Ib之間的函數(shù)關(guān)系，如公式2。因變量Ib可以用Urb除以Rb的阻值來(lái)求出，而Urb、Ube可以用DAQ板卡來(lái)測(cè)量。

測(cè)試程序框架與輸出特性曲線(xiàn)測(cè)試時(shí)相似，“功能選擇”設(shè)置為（假）時(shí)測(cè)輸入特性曲線(xiàn)，提取的參數(shù)與測(cè)試輸出特性曲線(xiàn)時(shí)不同，分別將各個(gè)時(shí)刻的Ube（0通道）、Ib（1通道）提取，然后錄入移位寄存器，按x-y捆綁后繪制曲線(xiàn)，調(diào)用當(dāng)前時(shí)刻的一個(gè)Uce（2通道）傳入顯示控件作為對(duì)參變量的監(jiān)視。測(cè)試程序框圖如圖8所示。

圖9是參變量Uce=0.0688V時(shí)Ib隨Ube變化的曲線(xiàn)。

4.總結(jié)

本文利用虛擬儀器技術(shù)研發(fā)了三極管伏安特性測(cè)試系統(tǒng)。利用NI公司采集卡上的硬件資源，可以方便地產(chǎn)生所需要的模擬信號(hào)，也可以方便地對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可靈活方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作顯示。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)操作靈活，測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，擴(kuò)展性強(qiáng)，可以滿(mǎn)足學(xué)校實(shí)驗(yàn)室對(duì)半導(dǎo)體器件特性的測(cè)試需求。

[1]陳錫輝,張銀鴻著.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[2]LabVIEW User Manual[Z].National Instruments,2001.

[3]劉燕,陳興文.基于虛擬技術(shù)的晶體管特性測(cè)試[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào),2011,Vol.13,No.3,p260-263.

[4]宗愛(ài)芹.基于NI Multisim 10與LabVIEW的單結(jié)晶體管伏安特性測(cè)試[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,No 10,p148-151.

[5]隋琦.虛擬三極管伏安特性的測(cè)試的設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,Vol.22,No.5,p88-90.