[发明专利]一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法

摘要

一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，该方法有五大步骤步骤一建立光耦的Pspice等效模型；步骤二确定光耦的Pspice等效模型参数；步骤三构建等效光耦低频噪声测试电路；步骤四添加内部缺陷等效形式；步骤五通过Pspice软件进行光耦电流传输比分析及OUT端输出噪声分析，改变器件内部陷阱数，作对比分析。本发明完善了典型光耦的低频噪声测试电路内部缺陷结构形式，通过仿真的形式，更直观定性地观察缺陷俘获载流子的过程以及缺陷的产生变化对光耦输出低频噪声、电流传输比的影响，为进一步开展光耦可靠性评估方法研究工作做铺垫。

主权项

一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：建立光耦的Pspice等效模型；其中，二极管D1代表光耦中的发光二极管即输入端，三极管Q1代表光耦中的光敏晶体管，该光敏晶体管的集电极为光耦的输出端；受控电流源H、受控电压源G分别把电流转换成电压、把电压转换成电流，受控电流源H和受控电压源G之间的回路电阻R0和电容C0形成一个通路，模拟光耦中的光电转换过程；步骤二：确定光耦的Pspice等效模型参数；在确定了光耦的Pspice等效模型后，需要对等效模型内部各参数进行设置，包括对其中的二极管模型参数、三极管模型参数以及受控电流源H、受控电压源G的增益进行合理设置；各参数的设置均参考实际光耦的测试情况，在进行Pspice建模时参考的是安捷伦公司生产的HCPL‑2530型光耦的测试情况；等效电路中，二极管的参数是利用Angilent测试仪器通过测试电压‑电流(U‑I)曲线数据，再在Pspice的模型参数配置里进行回归得出；光敏部分有多个元件，三级管Q1的模型参考技术手册设置；二极管、三极管的模型参数为：1)二极管D1反向饱和电流IS的值为2.6359e‑015，最小值是1e‑020，最大值是0.1，默认是1e‑014；发射系数N的值为2.0723，最小值是0.2，最大值是5，默认是4；寄生串联电阻RS的值为1e‑006，最小值是1e‑006，最大值是100，默认是0.001；corner for forward‑beta high‑current roll‑off IKF的值为0，最小值是0，最大值是1000，默认是0；2)三极管Q1传输饱和电流IS＝7.0e‑12；正向电流增益NF＝1.23；集电结零偏置势垒电容CJC＝4PF；发射结零偏置势垒电容CJE＝14PF；理想正向渡越时间TF＝10NS；理想反向渡越时间TR＝10NS；最大正向放大倍数BF＝500；最大反向放大倍数BR＝10；corner for forward‑beta high‑current roll‑off IKF＝750MA；forward Early voltage VAF＝40；IC为集电极电流；步骤三：构建等效光耦低频噪声测试电路；低频噪声测试中，光耦处于小信号工作状态，结合HCPL‑2530型光耦的工作电路以及经过参数校正的光耦的Pspice等效模型，得到等效光耦低频噪声测试电路原理图，按照其技术手册提供的测试条件即发光二极管输入电流IF＝16mA，光敏晶体管集电极工作电压VO＝0.5V条件下，该型光耦的电流传输比值典型值为21％，设置等效光耦低频噪声测试电路的工作条件，计算电流传输比并调试光电转换部分受控电流源H、受控电压源G的增益以及电阻R0、电容C0、集电极回路电阻R1的大小使电流传输比值与技术手册提供的典型值相当；等效光耦低频噪声测试电路中，二极管输出端施加16mA的输入电流，输出端施加0.5V偏置电压进行仿真，此时基极电流为26.2μA，输出端电流为3.248mA；继续调节Pspice仿真电路中受控电流源H、受控电压源G的增益和集电极回路中电阻R1的阻值，使仿真电路的测试结果贴近数据手册提供的典型值；步骤四：添加内部缺陷等效形式；在上一步骤中确定了等效光耦低频噪声测试电路后，在二极管D1的输入回路中反向添加一个恒流源I3，同时在三极管Q1的基极回路添加一个与受控电压源G的电流反向的电流源I4，I3、I4分别代表发光二极管中能捕获载流子的陷阱和光敏晶体管中能捕获载流子的陷阱；电流通过受控电流源H和受控电压源G传导至三极管Q1的基极中使之保持正向导通状态，受控电流源H、受控电压源G之间的电阻R0和电容C0保证电流信号的传输，三极管Q1的集电极为OUT端；步骤五：通过Pspice软件进行光耦电流传输比值分析及OUT端噪声分析，改变等效模型内部陷阱数，作对比分析；(1)当I3＝0，I4＝0时，仿真得到的输出噪声以1Hz时的噪声功率谱值为参考，此时计算得到电流传输比值：CTR0＝IC/IF＝3.248/16＝20.3％；IC为三极管Q1的集电极电流；(2)当等效模型内部缺陷陷阱数增多时，陷阱俘获载流子的能力会增加；取I3＝100μA，I4＝0A,模拟发光二极管一侧的缺陷扩大、陷阱增多情况，此时输出噪声CTR1＝IC/IF＝3.246/16＝20.2％；(3)同理，取I3＝0A，I4＝10μA，模拟光敏晶体管一侧等效模型内部缺陷扩大、陷阱增多情况，此时输出噪声CTR2＝IC/IF＝3.088/16＝19.3％；由电路仿真得到的结果可知，在低频1～10Hz内，当等效模型内部缺陷扩大、陷阱数增加时，有S1,2(1Hz)>S0(1Hz),CTR1,2＜CTR0，即输出端低频噪声增大，而计算得到的电流传输比值CTR下降。