CN104020404B - 一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法
技术领域
本发明提供一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，它是一种能够反映光耦内部缺陷变化影响的低频噪声等效电路，其中涉及典型光耦的等效模型设计以及低频噪声测试电路设计。利用Pspice软件的噪声分析功能，对包含缺陷的光耦低频噪声等效电路进行输出噪声分析，同时观察缺陷变化对光耦电流传输比(CTR)及输出低频噪声的影响，将其结果与实际电路噪声输出结果进行比较，仿真结果与实际电路输出结果吻合良好。
背景技术
光耦是以光为媒介，用来传输电信号的器件。典型的光耦是由一个红外发光二级管与一个受光控制的光敏晶体管(常见为光敏三极管)封装在同一个管壳内的器件。由于具有体积小、寿命长、抗干扰性强等优点，光耦可以代替继电器、变压器、斩波器等用于隔离线路、开关电路、数模转化、长线传输、过流保护、线性放大等众多场合。
电流传输比(CTR)是光电耦合器的一个主要和重要参数之一，定义为输出电压为规定值时，输出电流与发光二极管正向电流之比，表示为：CTR＝IC/IF×100％。导致光耦性能退化的主要因素是电流传输比(CTR)的降低，而引起CTR降低的直接原因是材料中产生能够俘获载流子的陷阱数目增多，致使载流子数目减少。陷阱的来源主要包括材料本身存在的缺陷或杂质电学应力及环境等因素诱生的缺陷。最近的研究结果表明，光耦内部杂质、缺陷陷阱会引起器件低频1/f噪声和产生-复合噪声(G-R噪声)的增加，同时也会使器件发生参数衰竭及使用寿命缩短。因此，光耦的低频噪声是能够反映其可靠性的一个重要因素。
Pspice噪声分析模块可以针对电路中半导体的固有工作噪声作复杂计算，它的计算结果是所求节点相对于输入电源的等效噪声，即将整个电路中的噪声源都集中折算到选定的独立源处，然后计算在等效噪声源的激励下，所求节点处产生的噪声。噪声分析伴随AC分析进行，对交流分析的每一点，Pspice程序计算出电路的制定输出端的等效噪声，并对指定输入端计算等效输入噪声电平，且对输入/输出噪声电平相对于噪声带宽的平方根进行归一化。噪声电压 和电流的单位分别是和因此，可以通过Pspice软件对光耦噪声测试电路中指定节点处等效固有噪声进行仿真分析。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，它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。
2、技术方案：本发明一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：建立光耦的Pspice等效模型。参照图1典型光耦的内部结构图，首先建立光耦的Pspice等效模型，如图2。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，连通中间的电阻和电容构成一个通路，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设置进行设置，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的增益等进行合理设置。各参数的设置均参考实际光耦的测试情况(包括光耦内部发光二极管、光敏三极管等的参数测试情况)。本发明在进行Pspice建模时参考的是安捷伦(Angilent)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。本发明中二极管、三极管的模型参数如图8、图9所示。
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型光耦的典型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(图3)。按照其数据手册提供的测试条件(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，计算电流传输比值并调试光电转换部分H、G的放大增益以及电阻R0、电容C0、集电极回路电阻R1的大小使电流传输比值与数据手册提供的典型数值相当。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H、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数据典型值。
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H和G传导至Q1的基极中使之保持正向导通状态，H、G之间的电阻R0和电容C0保证电流信号的传输。Q1的集电极为输出端OUT。
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。
(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：CTR0＝IC/IF＝3.248/16＝20.3％(如图4(a)、图4(b))。
(2)当器件内部缺陷陷阱数增多时，陷阱俘获载流子的能力会增加。在图4(a)所示的包含缺陷的光耦低频噪声等效测试电路中体现为I3、I4的增加。如图5(a)、图5(b)所示，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,模拟光敏三极管一侧器件内部缺陷扩大、陷阱增多情况，此时输出噪声(如图6(a)、图6(b))，CTR2=IC/IF=3.088/16=19.3%。
由电路仿真得到的结果(图4(a)、(b)、图5(a)、(b)、图6(a)、(b))可知，在低频1～10Hz内，当器件内部缺陷扩大、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CTR下降。
在已开展的HCPL-2530型光耦加速寿命试验过程中，试验数据分析表明：随试验时间的延长，器件内部缺陷不断劣化、扩大，造成缺陷陷阱数增加，其电流传输比有缓慢下降趋势，而低频噪声表现出上升的趋势。因此，本发明提供的一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路可以有效模拟由于光耦内部缺陷变化引起的电流传输比以及输出端低频噪声变化情况。
3、优点及效果：
本发明提供了一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，该发明的优点是完善了光耦低频噪声测试电路的内部缺陷表现形式，提供了一种缺陷在半导体内部的表现及作用方 式的思路，对目前在半导体电路内部缺陷表现形式方面的研究进行了有效补充。
在已开展的HCPL-2530型光耦加速寿命试验过程中，试验数据分析表明：随试验时间的延长，器件内部缺陷不断劣化、扩大，造成缺陷陷阱数增加，其电流传输比有缓慢下降趋势，而低频噪声表现出上升的趋势。因此，本发明提供的一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路可以有效模拟实际试验中由于光耦内部缺陷变化引起的电流传输比以及输出端低频噪声变化情况。
附图说明
图1是典型光耦的内部结构图；
图2是典型光耦的Pspice等效模型；
图3是等效光耦低频噪声测试电路原理图；
图4(a)是包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路图；
图4(b)是包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路低频噪声输出结果示意图；
图5(a)是发光二极管内部缺陷陷阱数增加时电路变化示意图；
图5(b)是发光二极管内部缺陷陷阱数增加时电路变化低频噪声输出结果示意图；
图6(a)是光敏三极管处缺陷陷阱数增加时电路变化示意图；
图6(b)是光敏三极管处缺陷陷阱数增加时电路变化低频噪声输出结果示意图；
图7是本方法发明流程框图；
图8是二极管D1模型参数；
图9是三极管Q1模型参数。
图中符号、代号说明如下：
CTR(Current Transfer Ratio)为光耦的电流传输比；Pspice(PersonalSimulation Program with Integrated Circuit Emphasis)为个人集成电路专用模拟程序；三个低频噪声输出结果示意图中，VNOISE代表OUT输出端噪声。
具体实施方式
本发明以典型光耦为例，选用由发光二级管和光敏三极管耦合组成的光耦典型结构，提出了一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，其方法发明流程图如图7所示。首先建立了光耦的Pspice等效模型；在此基础上，结合光耦工作条件，搭建典型光耦的低频噪声测试电路；在建立光耦低频噪声测试电路的基础上，结合光耦内部缺陷存在位置，完善光耦低频噪声测试电路缺陷形式，分别在红外发光二极管一侧和光敏三极管一侧添加反向电流源I3、I4 作为其缺陷等效形式，在电路中分别模拟发光二级管和光敏三极管附近缺陷陷阱俘获载流子的过程。
以光敏三极管的集电极引脚为输出端，利用Pspice噪声分析功能，在1～10KHz范围内，对输出端进行低频噪声分析，观察输出低频噪声功率谱图，同时按照电流传输比定义，计算在现缺陷下的电流传输比值。改变电流源I3、I4大小，模拟发光二级管处和光敏三极管处缺陷陷阱数量变化，可以通过仿真结果观测到输出低频噪声功率谱的变化及电流传输比的变化。
下面结合附图和实际电路构建过程对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明为一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路构建方法，该方法具体步骤如下(如图7)：
步骤一：建立光耦的Pspice等效模型。参照图1典型光耦的内部结构图，首先建立光耦的Pspice等效模型，如图2。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，连通中间的电阻和电容构成一个通路，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设置进行设置，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的增益等进行合理设置。各参数的设置均参考实际光耦的测试情况(包括光耦内部发光二极管、光敏三极管等的参数测试情况)。本发明在进行Pspice建模时参考的是安捷伦(Angilent)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。本发明中二极管、三极管的模型参数如图8、图9所示。
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型光耦的典型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(图3)。按照其数据手册提供的测试条件(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，计算电流传输比值并调试光电转换部分H、G的放大增益以及电阻R0、电容C0、集电极回路电阻R1的大小使电流传输比值与数据手册提供的典型数值相当。等效光耦低频噪声测试电路中，二极管输出端加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H、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数据典型值。
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H和G传导至Q1的基极中使之保持正向导通状态，H、G之间的电阻R0和电容C0保证电流信号的传输。Q1的集电极为输出端OUT。
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。
(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：CTR0＝IC/IF＝3.248/16＝20.3％(如图4(a)、图4(b))。
(2)当器件内部缺陷陷阱数增多时，陷阱俘获载流子的能力会增加。在图4(a)所示的包含缺陷的光耦低频噪声等效测试电路中体现为I3、I4的增加。如图5(a)、图5(b)所示，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,模拟光敏三极管一侧器件内部缺陷扩大、陷阱增多情况，此时输出噪声(如图6(a)、图6(b))，CTR2＝IC/IF＝3.088/16＝19.3％。
由电路仿真得到的结果(图4(a)、(b)、图5(a)、(b)、图6(a)、(b))可知，在低频1～10Hz内，当器件内部缺陷扩大、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CTR下降。
在已开展的HCPL-2530型光耦加速寿命试验过程中，试验数据分析表明：随试验时间的延长，器件内部缺陷不断劣化、扩大，造成缺陷陷阱数增加，其电流传输比有缓慢下降趋势，而低频噪声表现出上升的趋势。因此，本发明提供的一种包含内部缺陷的光耦低频噪声等效电路可以有效模拟由于光耦内部缺陷变化引起的电流传输比以及输出端低频噪声变化情况。

Claims (1)

1.一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。
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