Trazador de curvas de semiconductores: 4 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

¡SALUDOS!

El conocimiento de las características operativas de cualquier dispositivo es esencial para conocerlo. ¡Este proyecto lo ayudaría a trazar curvas de diodos, transistores de unión bipolar tipo NPN y MOSFET tipo n en su computadora portátil, en casa!

Para aquellos que no saben qué son las curvas características: las curvas características son gráficos que muestran la relación entre la corriente y el voltaje en los dos terminales de un dispositivo. Para un dispositivo de 3 terminales, este gráfico se traza para un parámetro variable del tercer terminal. Para dispositivos de 2 terminales como diodos, resistencias, LED, etc., la característica muestra la relación entre el voltaje a través de los terminales del dispositivo y la corriente que fluye a través del dispositivo. Para el dispositivo de 3 terminales, donde el 3er terminal actúa como un pin de control o una especie, la relación voltaje-corriente también depende del estado del 3er terminal y, por lo tanto, las características deberían incluir eso también.

Un trazador de curvas de semiconductores es un dispositivo que automatiza el proceso de trazado de curvas para dispositivos como diodos, BJT, MOSFET. Los trazadores de curvas dedicados suelen ser caros y no asequibles para los entusiastas. Un dispositivo fácil de operar capaz de obtener las características I-V de los dispositivos electrónicos básicos sería muy beneficioso, especialmente para los estudiantes, aficionados a la electrónica.

Para hacer de este proyecto un curso básico de Electrónica y conceptos como amplificadores operacionales, PWM, bombas de carga, reguladores de voltaje, se requeriría algo de codificación en cualquier microcontrolador. Si tienes estas habilidades, felicitaciones, ¡estás listo para comenzar!

Para obtener referencias sobre los temas anteriores, algunos enlaces me parecieron útiles:

www.allaboutcircuits.com/technical-article…

www.allaboutcircuits.com/textbook/semicond…

www.electronicdesign.com/power/charge-pump-…

www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_1….

Paso 1: comprensión del hardware

El trazador se conectaría a una computadora portátil y el dispositivo bajo prueba (DUT) en las ranuras provistas en la placa. Luego, la curva característica se mostraría en la computadora portátil.

Usé MSP430G2553 como mi microcontrolador, pero una vez que comprenda el enfoque del diseño, se puede usar cualquier controlador.

Para hacer esto, se siguió el enfoque dado.

● Para obtener valores de la corriente del dispositivo a diferentes valores de voltaje del dispositivo, necesitamos una señal creciente (algo así como la señal de rampa). Para obtener un número suficiente de puntos para trazar la curva, elegimos sondear el dispositivo para 100 valores diferentes de voltaje del dispositivo. Por lo tanto, necesitamos una señal de rampa de 7 bits para el mismo. Esto se obtiene generando PWM y pasándolo por un filtro de paso bajo.

● Dado que necesitamos trazar las características del dispositivo en diferentes valores de corriente base en BJT y diferentes valores de voltaje de puerta en el caso de MOSFET, necesitamos que se genere una señal de escalera junto con la señal de rampa. Limitando la capacidad del sistema, elegimos trazar 8 curvas para diferentes valores de corriente base / voltaje de puerta. Por lo tanto, necesitamos una forma de onda de escalera de 8 niveles o 3 bits. Esto se obtiene generando PWM y pasándolo por un filtro de paso bajo.

● El punto importante a tener en cuenta aquí es que necesitamos que la señal de rampa completa se repita para cada paso en la señal de escalera de 8 niveles, por lo que la frecuencia de la señal de rampa debe ser exactamente 8 veces mayor que la de la señal de escalera y debe ser tiempo sincronizado. Esto se logra en la codificación de la generación PWM.

● El colector / drenaje / ánodo del DUT se prueba para obtener la señal que se alimentará como eje X en el osciloscopio / en el ADC del microcontrolador después del circuito divisor de voltaje.

● Se coloca una resistencia de detección de corriente en serie con el DUT, que va seguida de un amplificador diferencial para obtener la señal que se puede alimentar al osciloscopio como eje Y / al ADC del microcontrolador después del circuito divisor de voltaje.

● Después de esto, el ADC transfiere los valores a los registros UART para ser transmitidos al dispositivo de la PC y estos valores se trazan usando una secuencia de comandos de Python.

Ahora puede continuar con la creación de su circuito.

Paso 2: hacer el hardware

El siguiente y muy importante paso es fabricar el hardware.

Dado que el hardware es complejo, sugeriría la fabricación de PCB. Pero si tienes el coraje, también puedes optar por la protoboard.

La placa tiene suministro de 5V, 3.3V para el MSP, + 12V y -12V para el amplificador operacional. 3.3V y +/- 12V se generan a partir de 5V usando el regulador LM1117 y XL6009 (su módulo está disponible, aunque lo hice con componentes discretos) y una bomba de carga respectivamente.

Los datos de UART a USB necesitan un dispositivo de conversión. He usado CH340G.

El siguiente paso sería crear archivos Schematic y Board. He usado EAGLE CAD como mi herramienta.

Los archivos se cargan para su referencia.

Paso 3: escribir los códigos

¿Hizo el hardware? ¿Polaridades de voltaje probadas en todos los puntos?

Si es así, ¡codifiquemos ahora!

He usado CCS para codificar mi MSP porque me siento cómodo con estas plataformas.

Para mostrar el gráfico, he usado Python como mi plataforma.

Los periféricos del microcontrolador utilizados son:

· Timer_A (16 bit) en modo de comparación para generar PWM.

· ADC10 (10 bits) para ingresar valores.

· UART para transmitir los datos.

Los archivos de código se proporcionan para su conveniencia.

Paso 4: ¿Cómo usarlo?

¡Felicidades! Todo lo que queda es el trabajo del trazador.

En el caso de un nuevo trazador de curvas, se tendría que configurar su potenciómetro de ajuste de 50k ohmios.

Esto se puede hacer cambiando la posición del potenciómetro y observando el gráfico del IC-VCE de un BJT. La posición en la que la curva más baja (para IB = 0) se alinearía con el eje X, esta sería la posición precisa del potenciómetro de ajuste.

· Conecte el Semiconductor Curve Tracer en el puerto USB de la PC. Se encenderá un LED rojo, lo que indica que la placa se ha encendido.

· Si se trata de un dispositivo BJT / diodo cuyas curvas se van a trazar, no conecte el jumper JP1. Pero si es un MOSFET, conecte el encabezado.

· Ir al símbolo del sistema

· Ejecuta la secuencia de comandos de Python

· Ingrese el número de terminales del DUT.

· Espere mientras se ejecuta el programa.

· Se ha trazado el gráfico.

¡Feliz preparación!