脉冲边沿整形电路以及二极管反向恢复时间测试装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种脉冲边沿整形电路以及二极管反向恢复时间测试装置，包括有脉冲信号发生器、脉冲信号边沿加速电路和trr信号处理电路。所述的脉冲信号发生器包括有用于产生频率和占空比可调的初始脉冲发生器。脉冲信号边沿加速电路包括二级ECL电路及高频功率管饱和开关，输出脉冲边沿的上升/下降时间小于0.4nS。反向恢复时间trr信号处理电路包括高频三极管构成的三级ECL电路及二级电压跟随器。本实用新型优点是通过ECL电路加速脉冲边沿，并用它来处理trr信号，研制成trr测试装置。通过测量1N4148管的trr，装置本身的LCD读数与示波器测量结果吻合，证明设计有效，可开发成测量仪器。
【专利说明】脉冲边沿整形电路以及二极管反向恢复时间测试装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体和电子测量【技术领域】，具体是指一种脉冲边沿整形电路以及二极管反向恢复时间测试装置。
【背景技术】
[0002]功率二极管、阶跃二极管、IGBT、晶闸管以及快恢复二极管等功率半导体器件广泛应用于电力电子领域，这些器件在正反向电压的转换过程中存在反向恢复特性，其中反向恢复时间(t?)是这些半导体器件的重要参数，该参数对正确选择器件和设计电路至关重要。研究表明，对超快恢复二极管、开关二极管等半导体器件而言，等参数与测试脉冲的diF/dt (或脉冲边沿)密切相关，只有合适的diF/dt才能形成可观的反向恢复电流1?.以供观测。
[0003]然而现有技术中还没有合适的脉冲信号源能产生适用于trr参数测量的nS级边沿脉冲信号。因此，本发明人特地研制了 nS级边沿的脉冲整形电路，并在此基础上形成一种nS级反向恢复时间测试装置。
【发明内容】
[0004]本发明之目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种能产生nS级边沿的脉冲信号，从而适用于开关二极管等器件的反向恢复时间高精度测量的脉冲边沿整形电路。
[0005]本发明的另一个目的是提供一种高精度的基于脉冲边沿整形电路的二极管反向恢复时间测试装置。
[0006]为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是包括有脉冲信号发生器和脉冲信号前后沿加速电路，所述的脉冲信号发生器包括有用于产生初始脉冲信号的初始脉冲处理器、用于接收初始脉冲信号的主RS触发器(IC4A)，以及连接于主RS触发器后的从RS触发器(IC4B)，所述的主RS触发器(IC4A)上还连接有用于调节延迟时间的可调变阻器(IC5)，所述的脉冲信号前后沿加速电路的输入端与从RS触发器(IC4B)的脉冲信号输出端(out)连接，该脉冲信号前后沿加速电路包括有信号依次传输的第一级ECL电路、第二级ECL电路和作为饱和开关的高频功率管(TR11)，所述的第一级ECL电路包括有高频小功率管I (TR7)和高频小功率管II (TR8)，该第一级ECL电路用于将初始脉冲信号前后沿加速而不放大脉冲幅度。第二级ECL电路包括有高频中功率管I (TR9)和高频中功率管II (TR10)，该第二级ECL电路用于将初始脉冲信号前后沿进一步加速而不放大脉冲幅度，所述的高频功率管(TR11)用于将脉冲前后沿加速而且放大了幅度。该高频功率管(TR11)的集电极上还输入连接有提供偏置电压的反向电压源，该高频功率管(TR11)的集电极上设置有测试脉冲输出端(V-trr)。
[0007]进一步设置是所述的第一级ECL电路的输入脉冲的前后沿上升/下降时间约7nS，输出时前后沿上升/下降约2nS，所述第二级ECL电路的输出的前后沿上升/下降时间低于0.8nS0
[0008]本发明的另一目的是提供一种基于如权利要求1所述的脉冲边沿整形电路的二极管试装置，其技术方案是包括以下单元:
[0009]脉冲边沿整形电路，该脉冲边沿整形电路输出nS级边沿脉冲信号(VK)；
[0010]反向偏置放电电路，包括依次连接与nS级边沿脉冲信号(VK)的充电电容(Co)、被测二极管(Dx)和负载电阻(RL)，该负载电阻(RL)的一端接地，另一端连接有反向恢复时间信号处理电路，该反向恢复时间信号处理电路用于将被测二极管(Dx)反向恢复时间(trr)模拟波形线性地变换成电压，并通过A/D转换输出到示波器中；
[0011]所述的被测二极管(Dx)和充电电容(Co)之间还盘接输入连接有正向电流源。
[0012]进一步设置是所述的反向恢复时间信号处理电路包括有信号依次传输的信号处理第一级ECL电路、二级电压跟随器、信号处理第二级ECL电路和信号处理第三级ECL电路，所述的信号处理第一级ECL电路包括有高频三极管I (TR12)和高频三极管II (TR13)，反向恢复电流(IJ通过负载电阻(RL)呈现的电压(V_t?)信号经电阻(R20)输入高频三极管KTR12)基极，该高频三极管II(TR13)基极的预置电平(V_set)为高频三极管II (TR13)基极的预置电平(V_set)为仁最大值I rM 10%(即0.1I J通过RL时的电压，V_set=0.lIrmRL。所述的二级电压跟随器包括有高频三极管III (TR14)和高频三极管IV(TR15)、高频三极管VII (TR18)和高频三极管VIII (TR19)，该二级电压跟随器用于不放大电压但保持波形及脉冲宽度等于反向恢复时间(t?)且同时放大电流，信号处理第二级ECL电路包括有高频三极管V(TR16)和高频三极管VI (TR17)，信号处理第三级ECL电路包括有高频三极管IX(TR20)和高频三极管X(TR21)，通过高频三极管X(TR21)集电极电阻(R29)将信号转换成电压型信号(Uo)，并通过A/D转换输出。
[0013]进一步设置是所述高频三极管I(TR12)、高频三极管II(TR13)、高频三极管III (TR14)、高频三极管IV(TR15)、高频三极管VII (TR18)、高频三极管VIII (TR19)、高频三极管V(TR16)和高频三极管VI(TR17)均为1.5GHz的特小寄生电容三极管，所述的高频三极管IX(TR20)和高频三极管X(TR21)采用1GHz的高可靠低漏电三极管。
[0014]本发明优点是通过CPU输出脉冲、用ECL电路加速脉冲边沿以及用它作为反向恢复时间信号处理电路的则试装置。通过测试开关二极管的反向恢复时间，装置本身的LCD读数与示波器测量结果吻合，互相校验了设计的有效性，可以进一步开发成测量仪器。
[0015]具体数据参见本申请的实施例。
[0016]下面结合说明书附图和【具体实施方式】对本发明做进一步介绍。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1本发明的【具体实施方式】二极管试原理图；
[0018]图2 二极管反向恢复过程示意图；
[0019]图3本发明【具体实施方式】正向电流源电路图；
[0020]图4本发明【具体实施方式】反向电压源电路图；
[0021]图5本发明【具体实施方式】脉冲信号发生器的电路图；
[0022]图6本发明【具体实施方式】脉冲信号边沿加速电路的电路图；
[0023]图7本发明【具体实施方式】‘信号处理电路的电路图；
[0024]图8本发明装置在20°C测量开关管1N4148的一t反向恢复电流图；
[0025]图9本发明装置在100°C测量1N4148管的I?—t反向恢复电流图。
【具体实施方式】
[0026]下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例
[0027]如图1-7所示的是本发明【具体实施方式】。二极管则试原理图如图1所示。该测试电路包括对被测二极管Dx加正向电流的过程和对它加反向电压的过程。前一过程包括Rc、Dx、RL、Rl、Co元件。后者包括Co、Dx、RL元件。当测试脉冲VK为高电平时，V κ对电容Co进行充电，同时IF对被测管Dx加正向电流。IF流过Dx的时间必须足够长，至少使得VJ0C冲通过R1对Co有足够的时间完成充电电压至￥1；峰值。充电结束后，￥1；回路断开，仅由正向恒流源IF通过Rc—Dx — RL回路对Dx工作，这一过程即为对二极管Dx加正向电流过程。当脉冲接地，由接地一RL — Dx — Co构成放电回路，由于电容电压不能突变，二极管有反向电流通过，称之为给二极管施加反向电压的过程。通过测量RL的端电压表示被测二极管的反向恢复电流。
[0028]如图3所示的正向电流源。这里IC1是一个D/A转换器，通过设置IC1的DIN、SCLK、CS端口，外部基准输入电压VKEF都为2048mV，它的模拟输出电压最大可达基准输入电压的2倍。为了使TR1的集电极的电流为IF(这里假设为50mA)，那么TR1的发射极也为50mA，即IC12A的正向输入端的电位为12V-0.05*80V=8V，根据放大器的虚短虚断原理，IC12A的反相输入端的电位也为8V，那么流过TR2的集电极电流为(12_8) V/5000 Ω =0.8mA,那么TR2的发射极电位为0.8mA*5kQ=4V，所以IC12B的正相输入端只要为4V即可。要实现10mA?50mA输出，只需IC1的OUT端电压Vout为0.8V?4V。整理可得，IF=Vout*R3/ (R2*R4)是三极管TR1的集电极电流，这就构成由IC1的OUT端控制的恒流源。
[0029]图3中R2、R3、R4的精度为F级±1%。基于安全工作区考虑，TR1可选用2SA715，它的参数为5A、PCM=10W，它的电流、电压、功率都有余量。由于该管是间歇工作，即使满电流工作时，亦可以不加散热片。
[0030]如图4所示为反向电压源，IC3为D/A芯片，为TR3和TR4差分对管的基极设置偏置电位，前者为正，后者为负。这里利用TR3和TR4构成差分对管，R6和R7构成线性反馈。使IC3的OUT端和TR3的基极电压相等，假设IC3的OUT端为4V，那么TR6的发射极VDD电压等于4.096*3.2=13.1V。要实现1.5V?13V输出范围，只需IC3的OUT端电压Vout为0.47疒4.06V, IC3完全能够满足。电流驱动放大由TR5和TR6构成。这样就构成了反向电压源。
[0031]这里的TR5是N沟道结型场效应管，Ves为零，I D只与V DS有微弱关系，是当恒流源用的。这里的TR6为NPN管，参数为BVCEQ=35V、Ic:M=1.5A、Pα(=10W，各参数都有余量，用于提高输出功率。
[0032]脉冲边沿整形电路，该电路由单片机输出的脉冲，通过单稳电路后脉宽变窄，再经过非饱和的两级ECL电路对脉冲信号前后沿加速后，再经过第三级超高频功率管输出所需的测试信号，其前沿上升时间(导通时间)可达0.4nS，电流可大于250mA。因为三极管是电流驱动器件，导通时结电容对信号的影响较小。
[0033]其中，脉冲信号发生器如图5所示，由两个RS触发器(IC4A、IC4B)和CPU(89C2051)构成，可以调频率、延迟时间、占空比。脉冲信号(比如50kHz方波)由CPU(89C2051)的P12脚输出。IC4A通过调节lOkQ的IC5可调电阻器来调节延迟时间，ty(nS) =0.33*10*30+50=149nS，而脉冲时间 ty(nS)=0.33*6.2*220 +50=500.12nS,这里K=0.33是该单稳电路给定的系数。
[0034]测试脉冲信号的单稳电路完全是为配合高阻取样示波器能正常显示波形用。该类取样示波器需要提前触发，IC4A在CPU控制IC5下给出合适的提前触发时间，IC4B给出触发测试合内脉冲发生器的信号，宽度约0.5 μ s。
[0035]另外，如图6所示的脉冲信号前后沿加速电路，该电路主要采用了晶体管发射极耦合逻辑(ECL)电路，它不但能放大脉冲，还可将脉冲前后沿加快。此处用微波管组成不饱和的ECL电路，其中的微波管工作在截止或放大而不在饱和状态，有效避免了电荷的存储效应，集电极负载电阻很小，因而其输出端寄生电容的充放电时间常数非常小，有利于提高开关速度，从而对脉冲边沿提速。图6中的三极管TR7、TR8和TR9、TR10分别构成了两级ECL电路。在非饱和电路中，开关速度主要由fT、1?、&、(；b、(^来决定。如果基极电位、集电极及发射极的电阻值合适，大于一定强度的信号使管子导通工作，脉冲信号底部低于一定幅度的那一部分因管子截止则输出时被截去；而脉冲幅度过高时因管子饱和则输出时顶端被削去；输出脉冲只保留脉冲腰部那一部分。这样的效果是脉冲前后沿的上升/下降速度加快。
[0036]第一级ECL电路由高频小功率管TR7和TR8组成:输入脉冲前沿上升时间约7nS，输出时前沿小于2nS。这里可选取fT=lGHz的高频管9018，Ic=20mA时fT还有900MHz，最小VCE=2.5V。TR7、TR8构成ECL电路，流过R12的电流由TR7、TR8分配。如果TR7导通，流过R12的电流来自TR7管；反之，TR8导通，流过R12的电流来自TR8管。通过分析，这里脉冲信号来自IC4B的Q端即out端，TR7是提供偏置电位的，即用于设置静态工作点。在此，TR7的基极电位为-4.5V，TR8基极电位为_4V，TR8的发射极电位为_4.7V，流过发射极电阻R12的电流为(12-4.7)/360=20.2mA，能够最大限度发挥TR7、TR8速度快的优势。R12起到电流负反馈作用，能扩大本级电路的线性放大区。当输入信号的幅度较大时，TR7、TR8中一个截止而另一个饱和，输出时脉冲的顶部和底部被削掉，留下腰部，所以仅将脉冲前后沿加速而不放大脉冲幅度。
[0037]第二级ECL电路由高频中功率管TR9和TR10组成:输出前沿上升时间小于0.8nS。这里选取&为6.5GHz的2SC3355，I c=55mA时&达6GHz，最小V CE=2.5V，为不饱和放大器。流过R16的电流由TR9、TR10分配。这里TR10提供偏置电位，即用于设置静态工作点。TR9的基极电位为-1.2V左右，TR10的基极电位为_2V，TR9、TR10的发射极电位为-2V，流过R16的电流为(12-2)/180=55mA，能够最大限度发挥TR9、TR10速度快的优势。本级ECL电路也将脉冲前后沿加速而不放大幅度。
[0038]二级ECL电路的负载电阻取值亦很重要，因为负载电阻大的话，它与负载电容的乘积就大，三极管集电极一基极间反馈电容的作用也大，输出脉冲的前后沿速度就受到限制。
[0039]第三级高频(7GHz)功率管TR11 (可选BFG591)为饱和开关，输出脉冲前后沿的上升、下降时间小于0.4nS。它由TR9集电极输出驱动，V_t?端为送往二极管的测试脉冲。静态时TR9电流流过Ro，使TR11基极电压为-0.5V而截止，而正脉冲加到TR7基极时TR9关断。Ro的电流55mA快速流入TR11基极使其导通。第三级不但将脉冲前后沿加速而且放大了幅度，其幅度由图4的VR给定值决定。
[0040]三级电路不仅实现了 IC4B的Q端输出脉冲幅度放大，而且还加快了脉冲边沿的速度。
[0041 ] 如图7所示的反向恢复时间^信号处理电路，是根据测试t ?的国家标准(GB6571-86.和GB 4023-1997.)要求来设计的，采用了高频三极管构成三级ECL电路。与前述ECL电路不同的是，这里特别注意第一级管子基极电位设置。第一级由TR12、TR13组成。反向恢复电流1?通过负载RL呈现的电压V _t?信号经R20输入TR12基极；TR13基极的预置电平V_set可设为I ?最大值I rrm的10%(即0.1I rrm)通过RL时的电压，即V_set=0.lIrrmRL。二极管反向恢复过程中，I V_trr I高于I V_set I时，TR12导通，TR13截止，V_ta信号经过TR12进入下一级电路。TR14和TR15、TR18和TR19构成二级电压跟随器，该跟随器能放大电流而不放大电压但保持波形及脉冲宽度=t?。而TR16、TR17构成第二级ECL电路，与TR12、TR13的作用类似。TR20、TR21为第三级ECL电路，通过TR21集电极电阻R29转换成电压型信号Uo，作为A/D模块的输入。Uo=1*t?*R29/T，其中Ιο为TR21的集电极电流，Τ为VR脉冲的周期，在Τ不变时，R29两端电压只与和W1、R30有关。最后R29两端电压被送至A/D转换模块驱动显示器换成数字显示。因为各管子的截止频率fT有限，因而t ?在3nS以下电压型信号Uo有非线性，可以通过软件补偿解决，最终可以使的测量值达到InS左右。因为TR20、TR21构成ECL电路，TR21导通则TR2截止，所以Ιο为TR21的集电极电流同时也是TR22的集电极电流。TR22用于波形矫正，这里由于TR22基极偏置为定值-5V，那么TR22的发射极电压和R30、W1端的-12V的压差为定值，Ιο也为恒定值(由Wl、R30控制)。
[0042]因为本电路目的是将trr模拟波形尽可能线性地变换成电压，以便于A/D转换。至于七?段前沿，原信号就很快(0.4nS)，本电路不起加速作用。该电路总体的比较速度可达InS,分辨率0.1nS，总体的信号延迟可达0.45nS，还有输入抗共模+1.5和-3.0V的能力。
[0043]该电路的前二级和跟随器使用1.5GHz的特小寄生电容三极管，最后一级采用1GHz的高可靠低漏电三极管，目的是减少温度漂移，提高可靠性。
[0044]可选用RT12032-1型液晶显示器来显示测量条件及所得的等参数，A/D转换器可选取12位串行模数转换器TLC2543C，二者可选择ICL7109模块来驱动；控制、键盘输入、运算和各继电器的管理可采用担当主CPU角色的89C52集成电路来实现。这些电路常用，此处不再赘述。
[0045]实验例
[0046]测试了 1N4148型开关二极管的t?，设置的测量条件为参数设置:IF=10mA,IR=40mAo
[0047]如图8所示，20°C下，测试时用示波器有源探头测量1?为7.8 nS。
[0048]如图9所示，100°C下，测试时用示波器有源探头测量trr为19.4 nS。
[0049]一般地，1N4148 型开关二极管在 IF=10mA to IK=lmA、VK=6V、RL=100 Ω、25 °C 时的标称值t?=4 nS，与本发明研制装置20°C时测量的结果接近，其中的差异主要来自于测量条件不同。用无源探头测量的值不同于有源探头测量的值。所以，测量时应慎重选择示波器及配套探头。
【权利要求】
1.一种脉冲边沿整形电路，其特征在于:包括有脉冲信号发生器和脉冲信号前后沿加速电路，所述的脉冲信号发生器包括有用于产生频率和占空比可调的初始脉冲信号的初始脉冲发生处理器(CPU)、用于接收初始脉冲信号的主RS触发器(IC4A)，以及连接于主RS触发器上的从RS触发器(IC4B)，所述的主RS触发器(IC4A)上还连接有用于调节延迟时间的可调变阻器(IC5)，所述的脉冲信号前后沿加速电路的输入端与从RS触发器(IC4B)的脉冲信号输出端(out)连接，该脉冲边沿整形电路包括有信号依次连接的第一级ECL(发射极耦合逻辑)电路、第二级ECL电路和作为饱和开关的高频功率管(TRll)，所述的第一级ECL电路包括有高频小功率管I (TR7)和高频小功率管II (TR8)，该第一级ECL电路用于将初始脉冲信号前后沿加速而不放大脉冲幅度，第二级ECL电路包括有高频中功率管I (TR9)和高频中功率管II (TRlO)，该第二级ECL电路用于将初始脉冲信号前后沿进一步加速而不放大脉冲幅度，所述的高频功率管(TRll)用于将脉冲前后沿加速而且放大了幅度，该高频功率管(TRll)的集电极上还输入连接有提供偏置电压的反向电压源，该高频功率管(TRll)的集电极上设置有测试脉冲输出端(V-trr)。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲边沿整形电路，其特征在于:所述的第一级ECL电路的输入脉冲的前后沿上升/下降时间约7nS，输出时约2nS，所述第二级ECL电路的输出脉冲的前后沿上升/下降时间低于0.SnS0
3.一种基于如权利要求1所述的脉冲边沿整形电路的二极管反向恢复时间测试装置，其特征还包括以下单元: (1)脉冲边沿整形电路，该脉冲边沿整形电路输出nS级边沿脉冲信号(VR)； (2)反向偏置放电电路，包括依次连接与nS级边沿脉冲信号(VR)的充电电容(Co)、被测二极管(Dx)和负载电阻(RL)，该负载电阻(RL)的一端接地，另一端连接有反向恢复时间信号处理电路，该反向恢复时间信号处理电路用于将被测二极管(Dx)反向恢复时间(trr)模拟波形线性地变换成电压，并通过A/D转换输出到示波器中； (3)所述的被测二极管(Dx)和充电电容(Co)之间还连接有正向电流源。
【文档编号】G01R31/26GK204180034SQ201420189519
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】韦文生, 夏鹏, 罗飞 申请人:温州大学