CN106647922B - 一种电压跟踪和嵌位电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压跟踪和嵌位电路，具体涉及半导体测试领域。该电压跟踪和嵌位电路，包括差分放大电路、恒定电流源产生电路、恒流源控制电路、恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路，差分放大电路位于输入端作为前置放大器，将电压误差信号转换成电流信号，转换后的电流信号流入恒流源控制电路，流入恒流源控制电路的电流信号与恒定电流源产生电路产生的恒定电流进行电流比例控制运算，经电流比例控制运算后得到恒流源信号，恒流源信号分别进入恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路。

Description

一种电压跟踪和嵌位电路
技术领域
本发明属于半导体测试领域，具体涉及一种电压跟踪和嵌位电路。
背景技术
在半导体分析仪测试、程控电源测试等领域中，往往需要进行正极性或负极性的电压/电流输出，这就需要控制结型功率管既能正向输出，也能反向输出，特别是对高频晶体管进行特性参数测试时，尤其需要提供电压极性可变、极性切换稳定可靠的高频电压信号序列进行测试分析。这些都要求一种电压跟踪/嵌位电路来实现对输出结型功率管进行驱动控制。现有的电压跟踪/嵌位电路一般是采用运算放大器饱和电路法和运算放大器不饱和电路法。运算放大器饱和电路法在负电压输入时，运算放大器的输出在内部达到饱和，从饱和到反向恢复时间的影响使响应变得非常慢；从饱和电平到正输出电压受转换速率限制使响应更慢；反向恢复特性的影响还使输出波形变坏，因此这种电路只能用于直流或低频。运算放大器不饱和电路法是在运算放大器饱和电路法的基础上增加了缓冲放大器及负反馈控制，需要增加相应的相位补偿电容，才能使电路稳定工作，所以，虽然克服了运算放大器饱和电路法的缺点，但受到运算放大器转换速率的限制，需要根据必要的频率选用高速运算放大器，仍然无法克服相位补偿电容等因素造成的速度影响。
由于快速自动测试以及高频程控测试的日益发展需要，现有电压跟踪/嵌位电路已经无法满足，因此需要一种可靠有效的电压跟踪/嵌位电路及实现方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种转换速率高、波形失真小、驱动能力强、功能准确可靠的电压跟踪和嵌位电路。
本发明具体采用如下技术方案：
一种电压跟踪和嵌位电路，包括差分放大电路、恒定电流源产生电路、恒流源控制电路、恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路，所述差分放大电路位于输入端作为前置放大器，将电压误差信号转换成电流信号，转换后的电流信号流入恒流源控制电路，流入恒流源控制电路的电流信号与恒定电流源产生电路产生的恒定电流进行电流比例控制运算，经电流比例控制运算后得到恒流源信号，恒流源信号分别进入恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路。
优选地，所述差分放大电路采用完全对称差分放大电路，等效为两级差分放大，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻均为温漂极低的精密电阻，保证差分运算放大电路输出波形的对称性，第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管均由三极管对管构成，其中第一三极管和第二三极管构成输入信号和接地信号的输入端。
优选地，所述恒定电流源产生电路包括第五电阻、第六电阻和第五三极管，所述第五三极管的电压降恒定，第五电阻和第六电阻采用精密电阻，第六电阻的阻值大于第五电阻的阻值。
优选地，所述恒流源驱动放大电路采用镜像电流源结构实现电流放大功能，包括第七电阻、第八电阻、第十电阻、第十一电阻、第六三极管和第十三极管，第七电阻、第八电阻、第十电阻和第十一电阻的取值与第五电阻的取值成对应比例，第六三极管与第十三极管均由三极管对管构成。
优选地，所述恒流源功率放大电路包括第七三极管的右三极管、第十一三极管、第二十电阻、第二十一电阻、第十二电阻至第十九电阻，第十一三极管采用八个三极管构成的阵列，第十二电阻至第十九电阻的阻值完全相等，第十一三极管的八个三极管构成的阵列的参数完全相同，第十二电阻至第十九电阻并联工作。
本发明具有的有益效果是：
(1)采用恒流源控制电路，提高了转换速率和可靠性，避免电路误触发现象。本发明在信号控制、信号放大以及信号功率驱动电路中，均采取了恒流源控制驱动电路模式，由于恒流源的内阻很大，且完全由电流信号控制，所以其响应速度快、控制可靠性高。另外，在输入端采用对称差分放大电路形式，等效为两级放大，利用其对称特性，提高了整个电路的共模抑制比和零点漂移抑制能力，电路具有灵敏度高、响应速度快等优点，使得本发明电路的转换速率较高，且不会产生误触发现象。
(2)采用完全对称差分放大电路，提高了电路响应速度和灵敏度。
(3)采用相同参数或相应对管设计方法，完全补偿了零点交越失真。本发明在恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路的前端均增加了电压提升二极管，该二极管由三极管的b-e结构成，其参数和用于差分放大的三极管b-e结参数完全相同，以抵消输入差分放大电路中三极管产生的b-e结压降。而且，本发明电路中所有的三极管均采用了参数相同的三极管或其相应对管，由于它们的参数完全相同或对称，以及电路的对称设计，完全补偿了零点交越失真，有效解决了波形失真问题。
(4)采用恒流源功率并联放大阵列电路，克服了驱动能力不足问题。本发明在输出端采用恒流源功率放大电路，由八集成对称三极管阵列组成功率驱动阵列，八个阵列三极管的参数完全相同，这样流过各驱动电阻的电流相同，实现均流功能，改善功率驱动的热分布，且驱动电阻并联工作，用以降低输出阻抗，提高功率放大驱动电路的驱动能力，也进一步减小波形失真。
附图说明
图1为该电压跟踪和嵌位电路原理框图；
图2为输入、输出波形示意图；
图3为该电压跟踪和嵌位电路的具体电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1所述，一种电压跟踪和嵌位电路，包括差分放大电路、恒定电流源产生电路、恒流源控制电路、恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路，差分放大电路位于输入端作为前置放大器，将电压误差信号转换成电流信号，转换后的电流信号流入恒流源控制电路，流入恒流源控制电路的电流信号与恒定电流源产生电路产生的恒定电流进行电流比例控制运算，经电流比例控制运算后得到恒流源信号，恒流源信号分别进入恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路。
如图2所示，当输入信号Vi大于GND电平时，Vo输出和Vi完全相同，实现同相电压跟踪功能；当输入信号Vi小于等于GND电平时，Vo输出被嵌位到地电平GND，实现反相电压的地电平嵌位功能；从而实现输出电压Vo对输入电压Vi的同相跟踪、反相嵌位功能。从图中可看出，在信号的高速变换中，本发明电路响应速度快、灵敏度高，无零点失真，完全克服了传统电路响应慢，波形谐波大，零点失真大等缺点，且本发明样机电路具有较高的输出驱动能力，达到了本发明专利的设计目标。
如图3所示，差分放大电路采用完全对称差分放大电路，等效为两级差分放大，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管V1、第二三极管V2、第三三极管V3和第四三极管V4，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4均为温漂极低的精密电阻，保证差分运算放大电路输出波形的对称性，保证差分运算放大电路输出波形的对称性，使得差分运算放大电路的失调电压及失调电流很低，第一三极管V1、第二三极管V2、第三三极管V3和第四三极管V4均由三极管对管构成，一方面起到输入嵌位保护作用，另一方面由于其对称特性，使得漏电流、噪声等完全相同，进一步使得差分运算放大电路的失调电压及失调电流等降至最低，以降低电压跟踪的波形失真度，其中第一三极管V1和第二三极管V2构成输入信号和接地信号的输入端。
恒定电流源产生电路包括第五电阻R5、第六电阻R6和第五三极管V5，第五三极管V5的b-e结电压降恒定，第五电阻R5和第六电阻R6采用精密电阻，第六电阻R6的阻值较大。因为第五三极管V5的b-e结压降恒定(Vbe约为0.5V)，所以其恒定电流即为：(15-0.5)/(R5+R6)，第五电阻R5，第六电阻R6均采用精密电阻，其第六电阻的阻值远远大于第五电阻的阻值(两个电阻的阻值大小位于不同的数量级)，所以流过第五电阻R5的电流是恒定不变的。
恒流源驱动放大电路采用镜像电流源结构实现电流放大功能，包括第七电阻R7、第八电阻R8、第十电阻R10、第十一电阻R11、第六三极管V6和第十三极管V10，第七电阻R7、第八电阻R8、第十电阻R10和第十一电阻R11的取值与第五电阻R5的取值成对应比例，第六三极管V6与第十三极管V10均由三极管对管构成，由于恒流源的内阻很大，且完全由电流信号控制，所以其响应速度快、控制可靠性高，使得放大控制电路的转换速率很高，同时不会造成误触发现象。
恒流源功率放大电路包括第七三极管V7的右三极管、第十一三极管V11、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第十二电阻R12至第十九电阻R19，第十一三极管V11采用八个三极管构成的阵列，电阻R12-R19的阻值完全相等，这样流过第十二电阻R12至第十九电阻R19的电流相同，实现均流功能，改善功率驱动的热分布，八个三极管构成的阵列的参数完全相同，第十二电阻R12至第十九电阻R19并联工作。
恒流源功率放大电路包括第七三极管V7的右三极管、第十一三极管V11、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第十二电阻R12至第十九电阻R19，第十一三极管V11采用八个三极管构成的阵列，八个三极管构成的阵列的参数完全相同，第十二电阻R12至第十九电阻R19并联工作，第十二电阻R12至第十九电阻R19的阻值完全相等，用以降低输出阻抗，提高了功率放大电路的输出驱动能力，也进一步减小波形失真。
第六三极管的右三极管的集电极连接第七三极管，第七三极管由三极管对管组成，第七三极管的左三极管的发射集连接第八三极管，第八三极管连接第九电阻，第九电阻连接第九三极管，第九三极管的发射集与第十三极管的右三极管的集电极相连，第七三极管的左三极管和第八三极管串联后连接到第七、第八三极管的基极，用于消除第七三极管的右三极管和第十一三极管的交越失真，第八三极管V8、第九三极管V9采用和第一三极管V1、第二三极管V2相同参数的三极管构成二极管，用于抵消输入端第一三极管V1、第二三极管V2产生的b-e结压降；另外，本发明电路中所有的三极管均采用了相同参数的三极管或其相应对管，由于它们的参数完全相同或对称，补偿了零点交越失真等波形失真。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电压跟踪和嵌位电路，其特征在于，包括差分放大电路、恒定电流源产生电路、恒流源控制电路、恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路，所述差分放大电路位于输入端作为前置放大器，将电压误差信号转换成电流信号，转换后的电流信号流入恒流源控制电路，流入恒流源控制电路的电流信号与恒定电流源产生电路产生的恒定电流进行电流比例控制运算，经电流比例控制运算后得到恒流源信号，恒流源信号分别进入恒流源驱动放大电路和恒流源功率放大电路，所述差分放大电路采用完全对称差分放大电路，等效为两级差分放大，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻均为温漂极低的精密电阻，保证差分运算放大电路输出波形的对称性，第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管均由三极管对管构成，其中第一三极管和第二三极管构成输入信号和接地信号的输入端。
2.如权利要求1所述的一种电压跟踪和嵌位电路，其特征在于，所述恒定电流源产生电路包括第五电阻、第六电阻和第五三极管，所述第五三极管的电压降恒定，第五电阻和第六电阻采用精密电阻，第六电阻的阻值大于第五电阻的阻值。
3.如权利要求1所述的一种电压跟踪和嵌位电路，其特征在于，所述恒流源驱动放大电路采用镜像电流源结构实现电流放大功能，包括第七电阻、第八电阻、第十电阻、第十一电阻、第六三极管和第十三极管，第六三极管与第十三极管均由三极管对管构成。
4.如权利要求1所述的一种电压跟踪和嵌位电路，其特征在于，所述恒流源功率放大电路包括第七三极管的右三极管、第十一三极管、第二十电阻、第二十一电阻、第十二电阻至第十九电阻，第十一三极管采用八个三极管构成的阵列，第十二电阻至第十九电阻的阻值完全相等，第十一三极管的八个三极管构成的阵列的参数完全相同，第十二电阻至第十九电阻并联工作。
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