用NI的数据采集卡实现简单电子测试之3——绘制二极管V-I特性曲线图

本文从本人的163博客搬迁至此。

接下来用USB-6009和LabVIEW实现对二极管最重要的特性曲线“V-I特性曲线”的测试和绘制。

一、什么是二极管V-I特性曲线   

康华光版的《电子技术基础——模拟部分》这样介绍二极管的V-I特性：在二极管正向特性（在PN结两端施加N正P负的电压时的特性）的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像一个门坎。硅管的门坎电压Vth（又称死区电压）约为0.5V，锗管的Vth约为0.1V，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。所谓“V-I特性曲线”是指正向电压和正向电流之间的关系。

  二、测试电路 

V-I特性曲线是二极管电流I和压降V之间的关系，只有一个自变量和一个因变量，是二维平面上的曲线。测试电路需要通过USB-6009的DAC控制流过二极管的电流，同时通过ADC测量其上的压降来绘制V-I曲线。和绘制三极管的输出特性曲线一样，可以通过由运放构成的反馈控制电路来控制流过二极管的正向电流，但测试普通二极管的V-I曲线时，一般要求测试电流达到100mA以上，无法由运放直接产生，需借用晶体管放大输出电流。我设计了图1所示的测试电路。

图1 二极管V-I特性测试电路

其中DI_CTL是由USB-6009的DAC输出的电流控制电压。D_test是被试二极管，采用常见整流二极管1N4007，其两端连接的AI3和AI7是USB-6009的ADC的一对差分输入端，用于测试D_test两端的电势差Vdt。Rd1是电流测试电阻，其作用是将流过被试二极管的电流ID转换为电压VD1，从而形成电流负反馈通路。为防止Rd1上功耗过大造成损毁，Rd1取值较小，仅为0.1欧姆。在500mA电流条件下，其上的压降也仅为50mV，很难与USB-6009的DAC输出的控制电压形成比较，因此需要先通过运放OP_dA构成的同相放大电路来将Rd1上的测试电压VD1放大成VD2。其增益G=(Rd3+Rd2)/Rd2=31.3倍，可将流过Rd1的500mA电流转换为1.56V输出电压。运算放大器OP_dB构成整个负反馈电路的误差放大环节，其作用是放大实际电流与USB-6009的DAC输出的控制电流的电压之间的误差，并将放大后的误差用于控制功率P沟道MOS管MOSP输出电流。根据负反馈系统的分析方法来分析图1的工作原理。

1、对运放OP_dB应用“虚短”的原则：OP_dA输出的VD2应该等于USB-6009输出的控制电压DI_CTL，当改变DI_CTL时，就可以改变流过D_test的电流ID。电流ID和电压DI_CTL之间的关系为：

ID=VDI_CTL/Rd1                                          (1)

2、上述电路使用虚短的前提之一是，整个系统是电流负反馈系统：但ID增加时VD1和 VD2也将增加，将使OP_dB的同相端电压增加，从而将使P欧沟道MOS管的栅极电压上升，并减少其打开的程度从而降低ID，并最终构成负反馈系统。

3、上述电路使用虚短的前提之二是，整个系统的稳定性。Cd1具有保证闭环稳定的作用，它可以降低高频信号的开环增益，从而整个系统在高频段发生自激振荡。

另外，这个电路值得注意的地方还在于，这是一个单电源电路，但电路的参考点却是“地电势”。具体体现在：

1、从Rd1上端得到的VD1是一个很小的电压，可能仅有几个mV，要使用只有单电源的运放拾取这个电压是有一定困难的，但LM358的共模电压可达负电源电压，因此能够拾取和放大VD1。

2、由于电流测试电阻Rd1安装在被测二极管和地之间，就不可能采用单端测量方式测量二极管上的压降，正好USB-6009提供了差分测量方式，将两个差分输入端分别连接在被测对象的两端，可以将两个输入端之间的共模电压抑制掉，从而直接得到被测对象两端的电势差。

  三、测试程序

1、测试程序流程图如图2所示

图2 测试程序流程图

2、测试电流ID的设置

DACDI_CTL实现对测试电流ID采用公式节点实现DI_CTL和ID之间的换算，如图3所示：

图3 实现测试电流ID和控制电压换算的公式节点

    3、差分模式采集二极管压降Vdt

   USB-6009差分模式的配置如图4所示，注意此时可以通过修改输入电压范围，提高USB-6009内的PGA的增益，从而达到提高电压分辨率的目的。

图4 差分模式采集电压的程序框图

4、测试过程控制

   不可能在程序开始运行后不断的重复测量过程，因此采用“事件结构”管理了一个“开始测试”按钮，只有单击“开始测试”，测试过程才会开始。

5、程序框图

   图5和图6展示了USB-6009控制测试电流和读取二极管压降的程序框图。

图5 设置测试电流程序框图

图6 读取二极管压降程序框图

四、程序运行结果

     测试贴片封装的1N4007的“二极管的V-I特性线”，得到图7所示的结果。

图7 实际测试得到的二极管VI特性曲线

    可以看出IN4007的V-I特性曲线呈指数曲线形式，与理论推导结果一致。

未完待续……