一种半导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量技术、电子电路、半导体热电材料性能测试领域，尤其涉及一种半 导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 半导体热电材料是一种将热能转换为电能或将电能转换为热能的新型半导体功 能材料，在日益严重的环境污染和能源危机下，研究绿色可持续发展的半导体热电材料显 得十分重要。半导体热电材料的研究主要集中在如何提高热电转换效率上；即期望在相同 的电能或热能下，能产生更多的热能或电能。半导体材料的热电转换效率与其塞贝克系数、 电阻率和热导率息息相关，在半导体热电材料性能测试中，这三个参数的精确测量影响着 热电转换效率的准确性，若出现测量误差，造成错误的研究结果。半导体材料的高温热电性 能随温度变化较大，同时由于珀尔贴效应与塞贝克效应叠加，会严重影响测量的准确性。因 而，一个既能满足功能需求又合理和高可靠性的特种恒流源是半导体材料高温热电性能确 测量的先决基础。本发明针对半导体热电材料高温热电性能的特殊性而设计了一种特种恒 流源，作为半导体材料高温热电性能测试仪中的一个主要功能模块。该恒流源既可提供多 种所需的电源，又具备可调频率电流换向等功能。它的成功设计，不仅作为半导体材料高温 热电性能测试仪中的一个主要功能模块，而且有效地能降低或消除塞贝克效应或珀尔帖效 应对半导体高温热电性能测试的影响，从而提高其测量精度。
【发明内容】
[0003] 为了解决半导体材料热电性能随温度变化大，且受焦耳热影响的问题，本发明提 供一种半导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源及其控制方法，可提高热电性能的测 量精度。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0005] 本发明提供一种半导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源，包括用于信号的 通讯与底层的硬件控制的核心控制电路、用于采样电阻选取的选档电路、用于完成电流换 向的电流换向电路、用于可调基准电压的产生的基准电压产生电路、恒流源电路以及用于 采集电压数据的ADC转换电路;所述恒流源电路包括用于大电流输出的基于M0S管的恒流源 电路和用于小电流输出的基于运算放大器的电流串联负反馈电路，所述小电流输出的电流 输出范围为1 OuA- 1mA，所述大电流输出的电流输出范围为1mA-100mA;所述核心控制电路分 别与选档电路、电流换向电路、基准电压产生电路连接，所述选档电路、电流换向电路、基准 电压产生电路又均与恒流源电路连接，所述ADC转换电路一端连接核心控制电路，另一端恒 流源电路。
[0006] 作为优选的，所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路，以U1运算放大器为核 心，U1的正输入端接基准电压产生电路的输出，U1的输出端接被测材料的其中一端，被测材 料的另一端接入电流检测仪器，U1的负输入端接采样电阻R1与电流检测仪器的另一端，而 采样电阻R1的另一端接地;所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路输出的电流由基准 电压和采样电阻决定，其电流计算公式为：I_0UT = V_0UT/R1，式中的V_OUT为基准电压，R1 为采样电阻;所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路输出的电流受基准电压、采样电 阻和运算放大器供电电压影响；由公式I_0UT = V_0UT/R1可知，采样电阻R1不变的前提下， 基准电压V_OUT输出值越小，产生的电流值越小；而基准电压不变的前提下，采样电阻取值 越小，输出的电流就越大;此外，运算放大器输出端的输出电压是有一定限制的，输出值不 能超过运算放大器的供电电压，而运算放大器的输出端电压是由采样电阻与负载电阻串联 的阻值乘以输出电流得到，因此在电流一定的情况下，运算放大器的工作电压越高，可检测 的范围越大；所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路的输出电流受运算放大器的限 制，电流输出值有一定的范围，高于10mA电流时，基于运算放大器的电流串联负反馈电路不 能完成恒定电流的输出。
[0007] 作为优选的，所述基于M0S管的恒流源电路以运算放大器U2为核心，运算放大器U2 正输入端接基准电压，而负输入端接采样电阻R3,输出端接电阻R2的一端，R2的另一端接 M0S管的栅极，M0S管的源极接采样电路与运算放大器的负端，采样电阻R3的另一端接地，直 流电源通过电流检测仪器接到负载的一端，负载另一端接M0S管的漏极;所述基于M0S管的 恒流源输出的电流由基准电压和采样电阻决定，其电流计算公式为：I_〇UT = V_0UT/R3，式 中的V_0UT为基准电压，R3为采样电阻;所述基于M0S管的恒流源输出的电流受基准电压、采 样电阻和直流电压影响;原理与基于运算大器的电流串联负反馈电路相似。
[0008] 作为优选的，所述基准电压产生电路由ADC转换电路以SPI的方式与核心控制电路 相连;所述电流换向电路采用光耦直接与核心控制电路相连;所述基于运算放大器的电流 串联负反馈电路与基于M0S管的恒流源电路以ISL84684芯片作为选择开关与基准电压产生 电路相连;所述核心控制电路负责底层硬件的控制，控制基准电压产生电路的产生时序和 控制ADC转换电路的配置。
[0009] 作为优选的，所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路和基于M0S管的恒流源 电路通过采样电阻将输出电流转换为电压，并将电压反馈到运算放大器与基准电压比较， 从而实现电流的恒定，所述选档电路用于采样电阻的选择，基于M0S管的恒流源电路的恒流 范围为lmA-100mA，档数分为3个，分别是33 Ω、1〇〇 Ω和330 Ω ;而基于运算放大器的电流串 联负反馈电路恒流范围为ΙΟμΑ-lmA，档数分为3个，分别是2K Ω、20Κ Ω和200K Ω ;所述基准 电压产生电路输出范围为1~4V，增量为0.1 V。
[0010] 作为优选的，所述电流换向电路采用光耦控制继电器来完成电流的换向；在换向 过程中，先同时关闭两个方向的通路，然后再打开其中一条通路。
[0011] 作为优选的，所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路由高精度运算放大器 0Ρ07和电阻组成;所述基于M0S管的恒流源电路由运算放大器0P07、FCD4N60大功率M0S管和 电阻组成;所述选档电路由2-4译码器74HC139、低导通电阻的TS5A3166芯片和精密采样电 阻组成;所述基准电压产生电路由14位高精度的DAC8311芯片;所述ADC转换电路由16位高 精度、可编程的ADC7705芯片组成;所述电流换向电路由光耦与继电器组成。
[0012] 本发明还提供一种半导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源的控制方法，包 括下述步骤：
[0013] 1、用户按键输入调节参数、换向时间、采样电阻与基准电压目标值；
[0014] 2、通过判断换向时间，判断电路是否需要切换电流的流经方向；若不需要，则保持 原方向不变;若需要，则进行换向的具体操作;无论换向与否，判断后都需要将控制信号进 行分离，并查找相应的操作值，最后输出相应操作值；
[0015] 3、自动输出或手动输出的选择，若选择自动输出，两个恒流源电路自动切换，并实 现输出电流的自动控制;若选择了手动输出，则需要人为选择恒流源电路，并人为设定输出 的电流值，若选择自动输出，则直接跳至步骤6;
[0016] 4、若选择手动输出，判断恒流源电路的选择，若选择基于运算放大器的电流串联 负反馈电路，则输出小电流，范围为ΙΟμΑ-lmA;若选择基于M0S管的恒流源电路，则输出大电 流，范围为ImA-lOOmA;
[0017] 5、读取寄存器中上一次ADC转换得出的数据结果，并通过离散增量式PID算法修正 基准电压这一次的输出值，还要对修正后的基准电压数值进行分离、转换处理，转换成基准 电压产生电路可接受的数据，最后是将数据输出至基准电压产生电路中产生具体的基准电 压；
[0018] 6、手动输出需要用户选择采样电阻的阻值；自动输出时采样电阻是自动变化的； 电路选择确定后，需要对选档数值进行分离，查找对应的采样电阻阻值，并结合基准电压， 计算出具体的输出电流，最后将电流值输出和显示；
[0019] 7、核心控制电路向ADC转换电路发出转换指令后，等待ADC转换电路完成转换，然 后读取ADC转换的数据结果，将其存入寄存器中，为下一次循环做准备；
[0020] 8、若没有终止程序，则继续执行步骤2、3、4、5、6和7，继续程序的循环。
[0021] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0022] 所述半导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源，以自主设计的电路为基础， 设计出高可靠性、稳定和高精度的恒流源。恒流源具有如下优点：（1)能实现大范围的电流 输出，输出范围为1 ΟμΑ-100mA;(2)性能稳定、恒流输出精度高；（3)具有自动及手动输出功 能，操作方便，人性化的设置；（4)能有效地解决半导体材料热电性能随温度变化非线性变 化而引起的测量误差问题；（5)电流换向功能可以有效地减少塞贝克与珀尔帖效应对半导 体热电材料性能测量的影响，提高测量热电性能的准确度；（6)若选择自动输出功能，电流 以阶段性的恒定而输