精确测量二极管RD的方法

gxg0000

声明：本方法来自于本·汤格（Ben H.Tongue）《测量二极管饱和电流和理想因子的程序，以及在各种二极管上的测量》一文，本人只对其中的电路、二极管参数计算方法做优化和验证。
文献参考：《测量二极管饱和电流和理想因子的程序，以及在各种二极管上的测量》

一．晶体二极管数学模型（肖克利二极管方程）

Id = Is*[EXP(Vd/VT)-1]
EXP 自然对数的底数
Is 二极管饱和电流
VT 为热电压（=kT/q，k玻尔兹曼常数，T绝对温度，q基本电荷）
通常将上式指数特性称为晶体二极管的理想指数模型，因为它是在理想条件下导出的数学表达式，为反映实际器件的伏安特性，通常的做法是用修正式：

Id = Is*{EXP[(Vd-Id*rs)/(N*VT)]-1}

其中Id和Vd分别是二极管的正向电流和正向电压，N称为非理想化因子，其值与电流有关，在弱电流下N大约在1～2之间，rs是与阻挡层相串接的电阻，它是由阻挡层两边P区和N区中实际存在的体电阻、与金属引线间的接触电阻和引线电阻的总电阻，这个电阻的存在将使加到阻挡层上的电压变为(Vd-Id*rs)，以下的测量都是在弱电流下进行的，因此电阻可以忽略，公式简化为：

Id = Is*{EXP[Vd/(N*VT)]-1}

二．测量方法
1.测量电路原理
二极管的饱和电流Is和理想因子N，可以通过测量施加的结电压以及在两个不同电压下的相关电流来确定，然后将这两组数据对代入肖克利二极管方程，以在Is和N中创建两个联立方程，然后求解Is和N，由于方程包含指数函数，因此无法用普通代数求解，必须使用数值方法解算。
25摄氏度时的肖克利二极管方程为：

Id = Is*{EXP[Vd/(0.0256789*N)]-1}（安培）

Id 二极管正向电流（安培）
Is 饱和电流（安培）
Vd 二极管正向电压（伏）
N 理想因子
测量表明，当电流低于Is的六倍时，点接触锗二极管的Is和N会随电流而变化，但是相对恒定，直到非常低的电流，硅pn结二极管具有随电流变化的Is和N值，肖特基二极管的Is和N值在普通矿机接收中使用的电流范围内非常恒定。

一组方便的测量电流约为6*Is和3*Is，然后用Id=6*Is和Id=3*Is代入肖克利二极管方程并求解Vd值；

对于Id = 6*Is，则Vd = 0.0500*N（伏）
对于Id = 3*Is，则Vd = 0.0356*N（伏）

矿机接收中一般使用的二极管类型，N的值可能在1.0～1.2之间，因此选择N=1.1，尽管可以使用其他值，但建议使用的样本电压约为0.055伏和0.039伏。
原理图：

S1是三极双掷波段开关，S2是按钮瞬时接触SPST开关，DVM是具有10 MΩ输入电阻，测量范围为200 mV的3位半数字电压表，R7电阻用于补偿数字电压表输入电阻所造成的误差，S3是一种电流范围开关，用于粗略限制被测二极管Is的范围， W1用于二极管电压的粗调，W2是粗调后转精细二极管电压调整。

2.Is和N的测量程序
将S3设置为100k，以用于预期具有中等的Is的二极管，如果预期二极管具有较低或较高的Is，则将S3设置为R1（4M7）或R6（10k）。
取样本数据1：
将S1设置为V档，按下S2并粗调W1后细调W2，以获得约55mV的读数（建议为55mV），读取电压表为V1。再将S1设置为I档，读取电压表为V2。
取样本数据2：
将S1设置为V档，按下S2并粗调W1后细调W2，以获得约39mV的读数（建议为39mV），读取电压表为V3。再将S1设置为I档，读取电压表为V4。

来自样本数据1的二极管电压Vd1为V1，根据S3的设置，样本数据（Id1）的二极管电流为[V2/((R1-R6)//R7）-V1/R7]。
来自样本数据2的二极管电压Vd2为V3，根据S3的设置，样本数据（Id2）的二极管电流为[V4/((R1-R6)//R7）-V3/R7]。
现在必须将两个样本数据集Vd1，Id1和Vd2，Id2分别输入两个肖克利二极管方程式，以便在Is和N中建立两个联立方程式，求解它们将得出Is和N的值，该值是在Is的约4.25倍的平均电流下测得的，【二极管参数计算器】可以简化求解Is和N的两个联立方程。
矿机在弱信号接收条件下，Is*N称之为二极管的品质系数，可见此两个参数的重要性。

3.二极管动态电阻Rd
二极管动态电阻Rd是随着流过的正向电流大小的变化而变化，当电流趋向零时，我们就称之为零电压电阻RD，该电阻是制作高效矿机的重要参数，RD值可以通过求解Is和N的两个联立方程,并代入下式计算获得：

零电压电阻RD = N*VT/Is

4.计算软件【二极管参数计算器】
以上推导过程不必过度关注，我们只要知道测得V1、V2、V3和V4四个电压就足够了，将四个电压样本输入到计算软件中，最后按计算按钮就可以获得所需的饱和电流Is、零电阻RD和理想因子N。
计算软件下载后，双击打开就可以了，打开界面如下：


软件区域功能说明：

具体二极管参数测试操作，可以参阅使用说明区域，在里面有详细的说明。

二极管参数计算器.zip (42.56 KB, 下载次数: 440)

2020-2-2 20:30 上传

点击文件名下载附件

待续。。。


补充内容 (2020-2-3 19:40):
谢谢超版加精，谢谢各位老师加分！

补充内容 (2020-2-17 17:09):
二极管参数计算器APP链接：
精确测量二极管参数应用软件源程序
http://www.crystalradio.cn/forum ... 9&fromuid=44459
(出处: 矿石收音机论坛)


补充内容 (2021-2-24 15:38):
升级版
http://www.crystalradio.cn/forum ... page%3D1&page=3

未成之佛

测出来，然后精确配耳机阻抗？

138139l

冒搞懂,还要努力恶补课才行.

L.D.XIONG

非常好！

安庆矿友

楼主测试下常用二极管的数据

老虎哥01

测量二极管Rd值的精确方法，太棒了！

gxg0000

未成之佛 发表于 2020-2-2 22:08
测出来，然后精确配耳机阻抗？

先摸一下二极管情况，特别是四季温度的影响

gxg0000

安庆矿友 发表于 2020-2-3 08:18
楼主测试下常用二极管的数据

在后面，等等

安庆矿友

温度对二极管影响非常大

gxg0000

三．验证与实测
1. 用Multisit电路仿真软件验证
取BAT46二极管样本进行电路仿真，限流电阻取R2=100K；
第一步；将S1开关设置为V档，二极管两端电压调至约55mV处，然后将S1开关设置为I档，读取V1=51.52mV， V2=106.617mV。


第二步；将S1开关设置为V档，二极管两端电压调至约39mV处，然后将S1开关设置为I档，读取V3=39.001mV， V4=53.527mV。


最后将Multisit软件测得的V1、V2、V3和V4四个电压依次代入【二极管参数计算器】。


通过软件解算得到Is=171nA，N=1.07，将解算结果与BAT46模型数据比较，验证【二极管参数计算器】的正确性。


与BAT46模型数据基本上是一致。

2. 二极管实测
测量前准备：
a. 二极管样本BAT85（DO-34封装）
b. 测试装置移至无电磁场干扰的地方，通过观察数字表电压显示为零（200mV档）
c. 样本二极管BAT85用一段热缩管套上，做防强光处理
d. 温度表备用，装置放置新环境中，稳定一段时间后开始测量


V1电压的测量55.0mV


V2电压的测量106.0mV


V3电压的测量39.0mV


V4电压的测量50.7mV


将上面测得的电压V1、V2、V3和V4，依次输入【二极管参数计算器】应用软件，接着在选择限流电阻330K（S3波段开关），输入测量的环境温度，最后按计算按钮

计算结果得BAT85二极管的饱和电流Is=43nA，零电阻RD=592K，理想因子N=1.03

待续。。。

gxg0000

安庆矿友 发表于 2020-2-3 20:05
温度对二极管影响非常大

温度影响是肯定的，晶体管器件的通病，有源电路可以补偿，无源矿机比较麻烦

gxg0000

L.D.XIONG 发表于 2020-2-3 07:23
非常好！

谢谢梁老师加分鼓励

IRF540

厉害了。 虽然还是看不太明白Rd是干啥用的。。。

weirenmin

又见郭老师大作，为矿友造福!!!

十双草

谢谢 gxg0000 老师的佳文，辛苦了！