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
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
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
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。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
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MOS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10uA-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。
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_OUT＝V_OUT/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_OUT＝V_OUT/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。
作为优选的，所述基于MOS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MOS管的栅极，MOS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MOS管的漏极；所述基于MOS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_OUT＝V_OUT/R3，式中的
V_OUT为基准电压，R3为采样电阻；所述基于MOS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。
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MOS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。
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MOS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MOS管的恒流源电路的恒流范围为1mA-100mA，档数分为3个，分别是
33Ω、100Ω和330Ω；而基于运算放大器的电流串联负反馈电路恒流范围为10
μA-1mA，档数分为3个，分别是2KΩ、20KΩ和200KΩ；所述基准电压产
生电路输出范围为1～4V，增量为0.1V。
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。
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OP07和电阻组成；所述基于MOS管的恒流源电路由运算放大器OP07、
FCD4N60大功率MOS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。
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：
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；
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；
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；
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10μA-1mA；若选择基于MOS管
的恒流源电路，则输出大电流，范围为1mA-100mA；
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；
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；
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；
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。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
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10μA-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出；若采用手动输出功能，电流以输入参数的设置来恒
定。
附图说明
图1为本发明的组成架构图。
图2为本发明的恒流电路图。
图3为本发明的控制方法流程图。
图4为本发明特种恒流源的总电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方
式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种专用于半导体材料高温热电性能测量的特
种恒流源，所述硬件电路包括核心控制电路、基于运算放大器的电流串联负反
馈电路、基于MOS管的恒流源电路、选档电路、基准电压产生电路、ADC转
换电路和电流换向电路。
如图1所示，所述核心控制电路用于信号的通讯与底层的硬件控制；所述
基于运算放大器的电流串联负反馈电路用于小电流输出，电流输出范围为
10uA-1mA；所述基于MOS管的恒流源电路用于大电流输出，电流输出范围为
1mA-100mA；所述选档电路，用于才采样电阻的选取；所述基准电压产生电路，
用于可调基准电压的产生；所述ADC转换电路用于采集电压数据。
如图2所示，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_OUT＝V_OUT/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_OUT＝V_OUT/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，所述基于MOS管的恒流源在原理上与
基于运算放大器的电流串联负反馈电路相似，但却不受运算放大器输出电流的
影响，完全可以实现1A以上的电流输出。
如图2所示，所述基于MOS管的恒流源的运算放大器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
MOS管的栅极，MOS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MOS
管的漏极。
所述基于MOS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_OUT＝V_OUT/R3，式中的V_OUT为基准电压，R3为采样电阻。
所述基于MOS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；原理与基于运算放大器的电流串联负反馈电路相似。
本实施例的一种专用于半导体材料高温热电性能测量的特种恒流源总电路
图如图4所示：
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OP07和
电阻组成。
所述基于MOS管的恒流源电路由运算放大器OP07、FCD4N60大功率MOS
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转换电路有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。
所述基准电压产生电路与ADC转换电路以SPI的方式与核心控制电路相
连。
所述选档电路采用的ISL84684芯片与74HC139芯片。
所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路与基于MOS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转换的配置。
所述基于运算放大器的电流串联负反馈电路和基于MOS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MOS管的恒流源电路的恒流范围
为1mA-100mA，档数分为3个，分别是33Ω、100Ω和330Ω；而基于运算放
大器的电流串联负反馈电路恒流范围为10μA-1mA，档数分为3个，分别是2K
Ω、20KΩ和200KΩ。
所述基准电压产生电路输出范围为1～4V，增量为0.1V。
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；同时必须管理
好控制信号，不能存在两个方向同时导通的特殊情况，因此需要对控制信号做
安全保护，即在换向过程中，先同时关闭两个方向的通路，然后再打开其中一
条通路。
如图3所示，所述离散增量式PID调节子模块用于稳定基准电压的输出，
并逼近于用户设定的基准电压目标值；所述换向子模块用于硬件电流换向的控
制；所述自动切换子模块用于两恒流源的自动切换与输出电流的自动控制；所
述核心控制子模块用于各硬件芯片的驱动。
所述离散增量式PID电压调节子模块用于基准电压调节，利用离散增量式
PID算法计算输出值与目标值的偏移量，并加上本次的输出值作为修正后的输出
值，作为下一次的基准电压输出，从而稳定基准电压的输出，并逼近基准电压
目标值。
所述换向子模块用于判断是否符合换向的要求，若符合换向时间的设定，
则将原控制信号同时拉低，延迟一定时间后，对原控制信号进行取反操作，若
不符合换向时间，则保持原来的控制信号。
所述自动切换子模块用于判断是否执行自动输出的功能，若执行自动输出，
则实现两个恒流源的自动切换，电流输出设定在10μA-1mA内，则采用基于运
算放大器的电流串联负反馈电路，电流输出设定在1mA-100mA内，则采用基于
MOS管的恒流源电路。
所述核心控制子模块以一个大循环作为主体，子模块初始化后，先进行换
向电路的判断；接着是换向控制信号的分离与输出；然后是自动输出的判断，
若是采用自动输出，则自动切换两个恒流源，并自动控制电流的输出，电流是
阶段性的恒定；若采用手动输出，则先选择恒流源电路，即选择输出小电流10
μA-1mA，还是选择输出大电流1mA-100mA，手动输出的电流是以输入参数来
恒定的；在恒流源选择后，进行采样电阻的选择，并对采样电阻的数值进行分
离与输出。值得注意的是，选择自动输出后，采样电阻是自动变化的，与用户
输入值无关；接着是将调节后的基准电压数据输出，并产生相应的基准电压值；
最后是将ADC转换电路采集的电压存入寄存器中，为下一次循环准备，ADC
转换电路采集的电压数据为基准电压输出值和采样电阻电压值。
所述半导体材料高温热电性能测量用的特种恒流源的工作流程如下：
1、用户通过按键输入调节参数、换向时间、采样电阻与基准电压目标值；
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；
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5；
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10μA-1mA；若选择基于MOS管
的恒流源电路，则输出大电流，范围为1mA-100mA；
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；
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；
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；
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。
手动测量举例说明：
采样电阻有六种，分别是100K、10K、1K、330、100和10Ω。而基准电压
的输出由1V到4V。用高精度GDM-8341台式万用表测量电流的实际值，实验
中每一数据均是反复测量10次后，求平均值所得。
表1为手动测量的数据：
表1
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实
施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、
替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。