CN110763971A - 太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置 - Google Patents

太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，包括单片机、显示单元、高频脉冲电流源电路、阻断脉冲电压源电路、开关瞬态电流波形检测电路和开关瞬态电流信号处理电路。该单片机给高频脉冲电流源电路下发第一脉冲信号及给开关瞬态电流波形检测电路下发第一检测指令时，接收开关瞬态电流信号处理电路的待测太赫兹渡越时间器件瞬时导通的瞬态电流信号，或给阻断脉冲电压源电路下发第二脉冲信号及给开关瞬态电流波形检测电路下发第二检测指令时，接收开关瞬态电流信号处理电路的待测太赫兹渡越时间器件瞬时阻断的瞬态电流信号。实施本发明，得到器件正向导通、反向阻断的瞬态电流波形及参数，提高测量可靠性，降低操作难度。

Description

太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置
技术领域
本发明涉及电子元器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置。
背景技术
与普通的半导体二极管、三极管、场效应管、激光二极管、光电探测器等器件不同，太赫兹渡越时间器件的工作频率在0.1～10太赫兹或者波长在0.03～3毫米范围。太赫兹波具有高透射性、低能量性、吸水性、相干性、指纹性、瞬态性等特点，在天文学、医学成像、无损检测、安全检查、宽带通信、电子对抗、雷达、电磁武器等领域具有广泛的应用前景。太赫兹波的瞬态性即它的脉冲宽度非常窄(皮秒量级)，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。
不同于肖特基二极管、功率二极管、发光二极管、光电二极管的结构，太赫兹渡越时间器件具有P+/P/N+、N+/N/P+单漂移区和N+/N/P/P+双漂移区等单雪崩区型结构，以及N+/P/P/N/N/P+型双雪崩区型结构，太赫兹渡越时间器件都工作于雪崩状态。按照经验公式Wn(p)＝0.37Vsn(sp)/fd[Wn(p)为N(P)漂移区的宽度，fd为设计频率，Vsn(sp)为电子(空穴)的漂移速度]设计的渡越时间器件[S.M.Sze,Kwok K.NG,Physics of semiconductor devices,3rded.,Wiley,New York,2007,Chapter 9.]，当fd处于太赫兹波段，Wn(p)在101～102纳米量级范围，导致太赫兹渡越时间器件的开关瞬态过程非常短暂，数值模拟结果为101纳秒量级。为了区别渡越时间器件发射的太赫兹波窄脉冲与它在开关过程出现的瞬态电流波形，必须掌握太赫兹渡越时间器件开关瞬态过程的电流波形及参数情况，才能合理地使用太赫兹渡越时间器件，发挥其应有的效能。
目前，国内外学者对半导体器件开关瞬态电流波形及参数测量技术进行了大量研究。如唐新灵等发表的压接式IGBT器件内部并联支路瞬态电流均衡特性的研究论文[中国电机工程学报，Vol.37，No.1(2017)：233-244.]中，模拟了用于分析压接式器件内部并联IGBT芯片和续流二极管支路开通与关断过程电流波形的等效电路，实验研究了2500V/600A的器件内部并联IGBT芯片和续流二极管支路的电流过冲及开关损耗特性，验证了所提参数的有效性，但此处不涉及太赫兹渡越时间器件。又如，史淑廷等研制的重离子致PN结单粒子瞬态电流脉冲测试系统(中国原子能科学研究院年报，2009：188-189.)，公开了重离子致PN结单粒子瞬态电流脉冲测试系统的硬件线路：采用50Ω阻抗匹配技术降低高频SET信号的反射并提高信号传输效率；采用双端模式，一端作为触发信号，另一端作为测量信号，在触发信号端通过快前放(电流灵敏)把信号进行前置放大，从而提高了信号信噪比。但是此报道针对的PN结完全不同于太赫兹渡越时间器件的结构。又如，专利申请号为CN104422835A、名称为一种电热元件电气性能多功能测试仪的发明专利，该发明专利包括泄漏电流测试显示器、小电流仪表显示器、电压表、温控器、调压部分、接触器以及开关操作界面等七个部分，主要用于金属外壳的电热元件在额定功率和规定温度下热态泄漏电流测试以及额定功率测试、过载试验和过热试验。它与太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数的测量无关。又如，授权专利号为ZL201710282153.3、名称为一种CCD器件漏电流测试装置的控制方法的发明专利，该发明专利核心是上位机按照测试的命令和规则向控制模块顺次输入测试步骤，所有测试步骤运行完毕后，测试操作结束。可见此发明与太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数的测量技术无关。又如，授权专利号为ZL200810045621.6、名称为一种快恢复二极管的反向动态漏电流测试方法及测试电路的发明专利，该发明专利是在整机内包含快恢复二极管的回路中串入反向动态漏电流测试电路，对快恢复二极管的反向动态漏电流进行测试，通过得到的反向动态漏电流数值来反映快恢复二极管的开关特性，但没有提及太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量。又如，授权专利号为ZL201410401893.0、名称为一种二极管正向恢复参数综合测试平台的发明专利，可测量、评价电力二极管、开关晶体管、IGBT等的正向恢复波形、正向恢复时间、正向恢复电压峰值等参数，但无法测量太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数。
因此，亟需一种用于测量太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数的装置，能够得到该器件正向导通瞬态电流、反向阻断瞬态电流的波形及参数。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，能够得到太赫兹渡越时间器件正向导通瞬态电流、反向阻断瞬态电流的波形及参数。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，包括单片机、显示单元、高频脉冲电流源电路、阻断脉冲电压源电路、开关瞬态电流波形检测电路和开关瞬态电流信号处理电路；其中，
所述高频脉冲电流源电路的输入端与所述单片机的第一端相连，输出端与待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，用于接收所述单片机下发的第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号转换成具有上升沿脉冲波形的高频脉冲电流信号，加载于所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)，使其瞬时导通；
所述阻断脉冲电压源电路与所述单片机的第二端相连，输出端与待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)相连，用于接收所述单片机下发的第二脉冲信号，并将所述第二脉冲信号转换成具有下降沿脉冲波形的阻断脉冲电压信号，加载于所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)，使其瞬时阻断；
所述开关瞬态电流波形检测电路的第一输入端和第二输入端分别与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)及阴极(-)相连，控制端与所述单片机的第三端相连，输出端与所述开关瞬态电流信号处理电路的输入端相连，用于接收所述单片机下发的第一检测指令，检测出所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)加载有高频脉冲电流信号后瞬时导通所产生的瞬态电流信号；或接收所述单片机下发的第二检测指令，检测出所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)加载有阻断脉冲电压信号后瞬时阻断所产生的瞬态电流信号；
所述开关瞬态电流信号处理电路的输出端与所述单片机的第四端相连，用于将所述开关瞬态电流波形检测电路检测出的所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)瞬时导通或瞬时阻断所产生的瞬态电流信号进行处理，并将处理结果输出给所述单片机；
所述单片机的第五端与所述显示单元相连，用于显示所述第一脉冲信号、所述第二脉冲信号、所述第一检测指令、所述第二检测指令，以及将所述单片机接收到的所述开关瞬态电流信号处理电路的待测太赫兹渡越时间器件(DUT)瞬时导通或瞬时阻断所产生的瞬态电流信号参数、所述高频脉冲电流源电路的高频脉冲电流信号参数、所述阻断脉冲电压源电路的阻断脉冲电压信号参数推送给所述显示单元，显示测得的参数。
其中，所述高频脉冲电流源电路包括第一三极管TR6、第二三极管TR15、第三三极管TR16、第四三极管TR7，以及用于产生脉冲信号的副CPU芯片IC9、生成电流幅度信号的数/模转换芯片IC17、第一运算放大器IC14A和第二运算放大器IC14B；其中，
所述第一三极管TR6的基极(B)与所述单片机第一端控制的副CPU芯片IC9的第一端及所述第二运算放大器IC14B的输出端均相连，TR6的发射极(E)与所述第二运算放大器IC14B的负输入端(-)相连，TR6的集电极(C)与所述第一运算放大器IC14A的正输入端(+)相连；
所述第二运算放大器IC14B的正输入端(+)与所述数/模转换芯片IC17的输出端相连，获得高频脉冲电流信号；
所述第一运算放大器IC14A的负输入端(-)与所述第四三极管TR7的发射极(E)相连，IC14A的输出端与所述第二三极管TR15的基极(B)及所述第三三极管TR16的基极(B)均相连；
所述第二三极管TR15的集电极(C)与第一内部直流电压源相连，所述第三三极管TR16的集电极(C)接地；所述第二三极管TR15及所述第三三极管TR16的发射极(E)与所述第四三极管TR7的基极(B)均相连；
所述第四三极管TR7的集电极(C)与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，给所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)加载高频脉冲电流，使其导通。
其中，所述阻断脉冲电压源电路包括高速驱动器芯片IC6、场效应管TR1和阻断电压脉冲下降沿调节电路M；其中，
所述高速驱动器芯片IC6的输入端与所述单片机第二端控制的副CPU芯片IC9的第二端相连，IC6的输出端与所述场效应管TR1的栅极(G)相连；
所述场效应管TR1的源极(S)接-30伏电压，漏极与所述阻断电压脉冲下降沿调节电路M的输入端相连；
所述阻断电压脉冲下降沿调节电路M包括多组调节子电路，且每一调节子电路均由一个电感和一个继电器串联而成；其中，每一电感的一端均与所述场效应管TR1的漏极(D)相连，另一端均与对应的继电器的输入端相连；每一继电器的输出端均与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)相连。
所述多组调节子电路有六个；其中，所述电感有六个，包括电感L1～L6；所述继电器有六个，包括继电器J0～J5；每一个继电器的通或断均受到所述单片机的控制，导通的继电器由六个不同的电感产生六种下降沿不同的阻断电压脉冲，加载于所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)，使其阻断。
其中，所述开关瞬态电流波形检测电路包括继电器J6、采样电阻R19、第三运算放大器IC23、第四运算放大器IC5D、峰值检波电路、第五三极管TR4、第五运算放大器IC5A；其中，
所述继电器J6的输入端与所述单片机的第三端相连，所述继电器J6的输出端与所述第三运算放大器IC23的正输入端(+)相连；
所述第三运算放大器IC23的负输入端(-)与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)及所述采样电阻R19的一端均相连；所述采样电阻R19把开关瞬态电流转换成电压信号，送给所述第三运算放大器IC23的负输入端(-)，R19的另一端接地；IC23的输出端与所述峰值检波电路的输入端相连；
所述峰值检波电路包括相接的二极管D17和电容C24；其中，所述二极管D17的阴极(-)与所述第三运算放大器IC23的输出端相连，D17的阳极(+)与所述第四运算放大器IC5D的正输入端(+)及所述电容C24的一端相连；所述电容C24的另一端与所述第五三极管TR4的发射极(E)相连；
所述第四运算放大器IC5D的输出端与所述开关瞬态电流信号处理电路的输入端相连；
所述第五运算放大器IC5A的正输入端(+)与第三内部电压源均相连，IC5A的负输入端(-)与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，IC5A的输出端与所述第五三极管TR4的基极(B)相连；
所述第五三极管TR4的集电极(C)与所述开关瞬态电流信号处理电路的输入端相连。
其中，所述开关瞬态电流信号处理电路包括控制芯片IC1、两级电压比较电路K及差分放大电路；其中，
所述控制芯片IC1的第一端通过副CPU芯片IC9的第三端与所述单片机的第四端相连，IC1的第二端与所述两级电压比较电路K的差分放大电路相连；
所述两级电压比较电路K包括第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14；其中，第八三极管TR11及第九三极管TR12组成前一级电压比较电路；第十三极管TR13及第十一三极管TR14构成后一级电压比较电路；所述第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13的基极(B)与所述开关瞬态电流波形检测电路的输出端相连；所述第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14的集电极(C)与所述控制芯片IC1的第二端相连，并与所述差分放大电路中第六三极管TR2及第七三极管TR3的发射极(E)相连；
所述差分放大电路包括由所述第六三极管TR2及所述第七三极管TR3组成的差分电路以及第六运算放大器IC4；所述第六三极管TR2、第七三极管TR3的基极(B)与所述控制芯片IC1的第三端相连；TR2、TR3的发射极(E)与所述第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14的集电极(C)相连；TR2、TR3的集电极(C)分别与所述第六运算放大器IC4的负输入端(-)、正输入端(+)相连；所述第六运算放大器IC4的输出端通过模/数转换器给所述单片机传送待测太赫兹渡越时间器件(DUT)正向导通瞬态电流、反向阻断瞬态电流的参数，由所述单片机计算、驱动所述显示单元，显示测量结果。
实施本发明的有益效果
本发明使用单片机构成的主控制、输入/输出等电路，控制测量条件参数的输入、测量步骤，控制高频脉冲电流源电路、阻断脉冲电压源电路、开关瞬态电流信号处理电路的工作状态，完成太赫兹渡越时间器件的开关瞬态电流波形及参数的测试，以及所得参数的自动计算和显示，为判断此类器件的性能、可靠性提供实验依据，降低操作、分析的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置的系统结构示意图；
图2为图1中高频脉冲电流源电路的系统结构示意图；
图3为图1中阻断脉冲电压源电路的系统结构示意图；
图4为图1中开关瞬态电流波形检测电路的系统结构示意图；
图5为图1中开关瞬态电流信号处理电路的系统结构示意图；
图6为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中单片机的应用场景图；
图7为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中单片机与高频脉冲电流源电路应用一体的应用场景图；
图8为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中高频脉冲电流源电路输出的电流信号波形图；
图9为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中阻断脉冲电压源电路的应用场景图；
图10为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中阻断脉冲电压源电路输出的电压信号波形图；
图11为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中开关瞬态电流波形检测电路的应用场景图；
图12为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中开关瞬态电流波形检测电路在太赫兹渡越时间器件瞬时导通所检测的瞬态电流信号的波形图；
图13为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中开关瞬态电流波形检测电路在太赫兹渡越时间器件瞬时阻断所检测的瞬态电流信号的波形图；
图14为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中开关瞬态电流信号处理电路的应用场景图；
图15为本发明实施例提供的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置中开关瞬态电流信号处理电路输出的电流信号波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，在本发明实施例中，提供的一种太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，包括单片机1、显示单元2、高频脉冲电流源电路3、阻断脉冲电压源电路4、开关瞬态电流波形检测电路5和开关瞬态电流信号处理电路6；其中，
高频脉冲电流源电路3的输入端与单片机1的第一端a1相连，输出端与待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，用于接收单片机1下发的第一脉冲信号，并将第一脉冲信号转换成具有上升沿脉冲波形的高频脉冲电流信号，加载于DUT的阳极(+)，使其瞬时导通；
阻断脉冲电压源电路4与单片机1的第二端a2相连，输出端与DUT的阴极(-)相连，用于接收单片机1下发的第二脉冲信号，并将第二脉冲信号转换成具有下降沿脉冲波形的阻断脉冲电压信号，加载于DUT的阴极(-)，使其瞬时阻断；
开关瞬态电流波形检测电路5的第一输入端b1和第二输入端b2分别与DUT的阳极(+)及阴极(-)相连，控制端b3与单片机1的第三端a3相连，输出端b4与开关瞬态电流信号处理电路6的输入端相连，用于接收单片机1下发的第一检测指令，检测出DUT的阳极(+)加载有高频脉冲电流信号后瞬时导通所产生的瞬态电流信号；或接收单片机1下发的第二检测指令，检测出DUT的阴极(-)加载有阻断脉冲电压信号后瞬时阻断所产生的瞬态电流信号；
开关瞬态电流信号处理电路6输出端与单片机1的第四端a4相连，用于将开关瞬态电流波形检测电路5检测出的DUT瞬时导通或瞬时阻断所产生的瞬态电流信号进行电压比较处理；
单片机1的第五端a5与显示单元2相连，用于给高频脉冲电流源电路3下发第一脉冲信号或给阻断脉冲电压源电路5下发第二脉冲信号，给开关瞬态电流波形检测电路5下发第一检测指令或第二检测指令，以及将接收到来自开关瞬态电流信号处理电路6处理的DUT瞬时导通或瞬时阻断所产生的瞬态电流信号参数、高频脉冲电流源电路3的高频脉冲电流信号参数、阻断脉冲电压源电路4的阻断脉冲电压信号参数推送给所述显示单元2进行显示。
可以理解的是，开关瞬态电流波形检测电路5检测出DUT的阳极(+)加载有高频脉冲电流信号后瞬时导通所产生的瞬态电流信号，可以得出高频脉冲电流源电路3已接收单片机1下发的第一脉冲信号，且开关瞬态电流波形检测电路5已接收单片机1下发的第一检测指令，即第一脉冲信号和第一检测指令组合的前提下，才会有DUT瞬时导通的瞬态电流信号；同理，即第二脉冲信号和第二检测指令组合的前提下，才会有DUT瞬时阻断的瞬态电流信号。
在本发明实施例中，如图2所示，高频脉冲电流源电路3包括第一三极管TR6、第二三极管TR15、第三三极管TR16、第四三极管TR7，以及用于产生脉冲信号的副CPU芯片IC9、生成电流幅度信号的数/模转换芯片IC17、第一运算放大器IC14A和第二运算放大器IC14B；其中，
第一三极管TR6的基极与单片机第一端控制的副CPU芯片IC9的第一端及第二运算放大器IC14B的输出端均相连，TR6的发射极E与第二运算放大器IC14B的负输入端(-)相连，TR6的集电极C与第一运算放大器IC14A的正输入端(+)相连；
第二运算放大器IC14B的正输入端(+)与数/模转换芯片IC17的输出端相连，获得高频脉冲电流信号；
第一运算放大器IC14A的负输入端(-)与第四三极管TR7的发射极E相连，IC14A的输出端与第二三极管TR15及第三三极管TR16的基极B均相连；
第二三极管TR15的集电极C与第一内部直流电压源相连，第三三极管TR16的集电极C接地；TR15及TR16的发射极E与第四三极管TR7的基极B均相连；
第四三极管TR7的集电极C与待测太赫兹渡越时间器件DUT的阳极(+)相连，给待测太赫兹渡越时间器件DUT加载高频脉冲电流，使其导通。
在本发明实施例中，如图3所示，阻断脉冲电压源电路4包括高速驱动器芯片IC6、场效应管TR1和阻断电压脉冲下降沿调节电路M；其中，
高速驱动器芯片IC6的输入端与单片机第二端控制的副CPU芯片IC9的第二端相连，IC6的输出端与场效应管TR1的栅极G相连；
场效应管TR1的源极G接-30伏电压，漏极D与阻断电压脉冲下降沿调节电路M的输入端相连；
阻断电压脉冲下降沿调节电路M包括多组调节子电路，且每一调节子电路均由一个电感和一个继电器串联而成；其中，每一电感的一端均与场效应管TR1的漏极D相连，另一端均与对应的继电器的输入端相连；每一继电器的输出端均与DUT的阴极(-)相连。其中，多组调节子电路有六个，其中，电感有六个(L1～L6)；继电器有六个(J0～J5)；每一个继电器的通或断均受到单片机的控制，导通的继电器由六个不同的电感产生六种下降沿不同的阻断电压脉冲，加载于DUT的阴极(-)，使其阻断。
在本发明实施例中，如图4所示，开关瞬态电流波形检测电路5包括继电器J6、采样电阻R19、第三运算放大器IC23、第四运算放大器IC5D、峰值检波电路、第五三极管TR4、第五运算放大器IC5A；其中，
继电器J6的输入端与单片机的第三端相连，J6的输出端与第三运算放大器IC23的正输入端(+)相连；
第三运算放大器IC23的负输入端(-)与DUT的阴极(-)及采样电阻R19的一端均相连；R19把开关瞬态电流转换成电压信号，送给第三运算放大器IC23的负输入端(-)，R19的另一端接地；IC23的输出端与峰值检波电路的输入端相连；
峰值检波电路包括相接的二极管D17和电容C24；其中，D17的阴极(-)与第三运算放大器IC23的输出端相连，D17的阳极(+)与第四运算放大器IC5D的正输入端(+)及电容C24的一端相连；电容C24的另一端与第五三极管TR4的发射极E相连；
第四运算放大器IC5D的输出端与开关瞬态电流信号处理电路6的输入端相连；
第五运算放大器IC5A的正输入端(+)与第三内部电压源均相连，IC5A的负输入端(-)与DUT的阳极(+)相连，IC5A的输出端与TR4的基极B相连；TR4的集电极C与开关瞬态电流信号处理电路6的输入端相连。
在本发明实施例中，如图5所示，开关瞬态电流信号处理电路6包括控制芯片IC1、两级电压比较电路K及差分放大电路；其中，
控制芯片IC1的第一端通过副CPU芯片IC9的第三端与单片机的第四端相连，IC1的第二端与两级电压比较电路K的输出端相连；
两级电压比较电路K包括第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14；其中，TR11、TR12组成前一级电压比较电路，TR13、TR14构成后一级电压比较电路；TR11、TR12、TR13的基极B与开关瞬态电流波形检测电路的输出端相连；TR11、TR12、TR13、TR14的集电极C作为两级电压比较电路K的输出端与IC1的第二端相连，并与开关瞬态电流信号处理电路差分放大电路中的三极管TR2、TR3的发射极E相连；
差分放大电路包括TR2、TR3组成的差分电路以及第六运算放大器IC4；TR2、TR3的基极B与IC1的第三端相连；TR2、TR3的发射极E与TR11、TR12、TR13、TR14的集电极C相连；TR2、TR3的集电极C分别与IC4的负输入端(-)、正输入端(+)相连；IC4的输出端通过模/数转换器给单片机传送DUT正向导通瞬态电流、反向阻断瞬态电流的参数，由单片机计算、驱动显示单元2，显示测量结果。
如图6～图15所示，为本发明实施例中的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置的应用场景。其中，
图6为单片机的应用场景图。图6中单片机即为W78E54B型主CPU芯片IC12。主CPU芯片IC12通过输入/输出端口P00～P07向74HC373型锁存器IC16输出控制命令，传输给高耐压、大电流的ULN2803型达林顿驱动芯片IC11，控制继电器J0～J5的动作，选择不同下降沿速度的阻断电压脉冲，调节被测太赫兹渡越时间器件(DUT)阻断过程的速度；控制继电器J6的动作，反馈DUT的阳极(+)、阴极(-)是否正确连接，不正确时控制报警器BY报警，等等。特别地，主CPU芯片IC12通过严格控制副CPU芯片IC9的P14、P15端口输出脉冲的时序，使得DUT导通、阻断的过程错开，保证测量的正常进行。
图6中，通过JP4X5Z型键盘(keyboard)，可向主CPU芯片IC12的输入端口P00～P07输入测试条件参数、控制命令等。R53为上拉电阻，给键盘提升电位，保证其正常工作。
图6中，主CPU芯片IC12通过输出端口P00～P07，驱动OLED12864-27型LCD芯片工作，显示开关瞬态时间(Tst)、测试条件参数、控制命令等。芯片IC12的P20-P25端口控制LCD芯片的RD′、R/W′、D/C′、RES′、CS′端口。其中，R/W′高电平时为读操作，低电平为写操作；D/C′高电平时数据总线上的信息当作显示数据，低电平时数据总线上的信息发送到命令寄存器；RES为复位信号输进；CS′为片选信号输入，低电平有效。R60为上拉电阻，给LCD芯片提升电位，保证其正常工作。
图6中，TLC2543CN型12位分辨率的模数转换器(ADC)芯片IC2，需要的+5V、+12V电压可由预设的直流稳压电源提供。
图6中，来自开关瞬态电流信号处理电路差分放大电路的模拟量开关瞬态电流峰值(Istm)送给ADC芯片IC2的引脚IN1，模拟量开关瞬态时间(Tst)送给IC2的引脚IN2，等等。ADC芯片IC2把模拟量转化为数字量，送给主CPU进行计算，最终显示在LCD上。IC2的CS端口控制其本身工作与否，低电平有效；IC2的IN为串行数据输入端口，串行数据有四位，高位在前，低位在后；IC2的I/OCK端口由主CPU提供时钟信号，四位串行数据在时钟同步下发送；IC2的OUT端口为数据输出端，向主CPU输出Tst、Istm等数字量数据；IC2的VZ+、VZ-为外接正、负基准电压源的端口，两端口的电压差可为ADC芯片的基准电压，保证电压稳定，同时确保数据采集与转换稳定。
图7为单片机控制高频脉冲电流源电路的应用场景图，其中89C2051型单片机IC9芯片为图2中的副CPU芯片。为了测试方便，要求脉冲电流源输出的电流幅度能够分档调节，由主CPU芯片IC12的RESET端口连接副CPU芯片IC9的RST端口，通过副CPU的P14端口控制三极管TR6基极的状态来实现。由主CPU芯片IC12的INT0、INT1、CSD端口分别连接TLC5615CP型数/模转换器芯片IC17的DIN、CLK、CS′端口，控制IC17芯片输出信号的幅度，通过运算放大器IC14B的负输入端(-)连接三极管TR6的集电极(C)，TR6的发射极(E)连接运算放大器IC14A的正输入端(+)，组成控制电路。
图7中，IC14A的输出端控制三极管TR15、TR16组成的互补推挽式功率放大电路的差分放大电路三极管TR7的基极(B)，确保脉冲上升、下降沿对称，调节输出高频脉冲电流的幅度。副CPU芯片IC9的P14端口输出的脉冲信号通过74HC14型施密特触发器IC13D整形后，脉冲上升沿、下降沿加速，抗干扰能力提高，以免后续电路因为干扰而产生不稳定的动作。芯片IC13D具有多路施密特触发器功能，输出信号会控制体积小、速度快的1N60型二极管D8的导通与关断。9014型三极管TR6的频率达到150MHz，放大倍数接近100，在此承担低噪声前置放大的功能。输出电流幅度的稳定性可以通过三极管TR7集电极(C)连接放大器IC14A的负输入端(-)、IC14A的输出端连接互补推挽式功率放大电路中TR15、TR16三极管的基极(B)来进行负反馈调节。8050型三极管TR15、8550型三极管TR16分别为NPN型、PNP型硅晶体三极管。二者频率达到150MHz，放大倍数达到110，主要用于高频放大电路，也可用作开关电路。差分放大电路采用2只45H11型中等功率三极管TR7，输送高频脉冲电流给DUT的阳极(+)。不同的脉冲电流幅度形成不同的测试条件，使DUT导通的程度不同。
图8为高频脉冲电流源电路输出的一个脉冲电流上升沿的波形，上升时间约3纳秒，测量时对幅度进行了衰减。可以满足DUT开关过程的要求。
图9为阻断脉冲电压源电路的应用场景图。由主CPU芯片IC12的RESET端口连接副CPU芯片IC9的RST端口，通过副CPU芯片IC9的P15端口给74HC14型施密特触发器IC13C送来频率为10kHZ、宽度为2μs的脉冲，经芯片IC13C整形、TC4420型高速驱动器IC6驱动场效应管TR1产生阻断脉冲电压信号，再经继电器J0～J5选择连接不同的电感线圈L1～L6，由于电磁感应，输出不同下降沿速度的阻断电压脉冲，加载到DUT的阴极(-)。不同下降沿速度的阻断电压脉冲使DUT阻断的快慢速度不同。
图9中，高速驱动器芯片IC6的电源电压为+12V，故其输出的高电平为+12V，低电平为0V。电容C14和C15滤除纹波，提高IC6芯片的稳定性。IC6的输出信号经过耦合电容C8后，控制场效应管TR1的栅极(G)。当IC6的输出电压为0V时，TR1关断；当IC6的输出电压为12V时，TR1开启。TR1开启后，其漏极(D)连接的-30V电压，经过电阻R21与不同继电器J0～J5选择的不同电感构成的阻断电压脉冲下降沿调节电路，由于不同电感的电磁感应强弱不一致，将改变阻断电压脉冲的下降沿速度，形成不同的测试条件，使DUT阻断的快慢速度不同。
图10为阻断脉冲电压源电路输出的一个阻断电压脉冲下降沿的波形，下降时间约4纳秒，测量时对幅度进行了衰减。可以满足DUT开关过程的要求。
图11为开关瞬态电流波形检测电路的应用场景图。来自图7高频脉冲电流源的的高频电流脉冲(If)加载于DUT的阳极(+)使其导通。之后，来自图9阻断脉冲电压源的阻断电压脉冲(Vr)加载于DUT的阴极(-)使其阻断。从DUT的阳极(+)可用示波器测得它被阻断瞬态的电压波形；从DUT的阴极(-)可用示波器测得它被阻断瞬态的电流波形。
图11中，DUT被阻断瞬态的电流波形在取样电阻R19上转化为电压信号，经过AU811型运算放大器芯片IC23及电阻R57、R58组成的负反馈放大器放大，再经过D17、C24组成的峰值检波电路进行检波，得到阻断瞬态的电流峰值对应的电压VP。电容C55滤除高频杂波，保证峰值检波电路的可靠性。从TL084型运算放大器IC5D的正输入端(+)输入，再输出后阻抗降低，再由滑动变阻器W2分压，输出电压0.1VP。再从负反馈工作的TL084型运算放大器IC5B的负输入端(-)输入，输出后阻抗再降低。将得到的电压输送给图6中的模/数转换器(ADC)变为数字信号，以便主CPU对数字信号进行计算，实现DUT阻断瞬态电流波形信号的采集和判断。TL084型运算放大器IC5A用于判断有无DUT，DUT存在时因If使R19加电，从而使9015型高频三极管TR4导通，图11中差分放大电路的三极管TR2、TR3工作，否则不工作。
图11中，测量时必须将DUT的阳极(+)、阴极(-)正确接至测量端，才能得到该DUT被阻断瞬态的电压、电流波形，需要通过继电器J6控制波形的检测。受到主CPU芯片IC12通过达林顿驱动芯片IC11控制的4001型继电器J6的线圈连接12V电压时，它的常开触点闭合、常闭触点断开，从而完成继电器状态的切换。当继电器控制端接+12V时，继电器线圈不带电，常开、常闭触点的状态保持不变；当J6接0电平时，继电器线圈带电，导致常开触点关闭、常闭触点断开，完成继电器状态的切换。只有J6常闭时输入的才是来自DUT阴极(-)的信号。
图12为开关瞬态电流波形检测电路检测到DUT瞬时导通时的瞬态电流波形，测量时对幅度进行了衰减。其中波形(2)为某DUT导通时的瞬态电流波形；波形(3)为加载于该DUT的高频电流脉冲的上升沿。可见与设计目标吻合。
图13为开关瞬态电流波形检测电路检测到DUT瞬时阻断时的瞬态电流波形，测量时对幅度进行了衰减。符合DUT瞬时阻断过程的实际。
图14为开关瞬态电流信号处理电路的应用场景图。由主CPU芯片IC12的RS端口连接副CPU芯片IC9的P34端口，再从副CPU芯片IC9的P16端口连接74HC14型施密特触发器IC13B、IC13E输出，此信号下降沿触发MC10H131型逻辑触发器芯片IC1的S1端口。三极管TR12的集电极连接三极管TR10的基极，TR10的集电极连接逻辑触发器芯片IC1的R2端口；三极管TR14的集电极连接三极管TR5的基极，TR5的集电极连接逻辑触发器芯片IC1的
Figure BDA0002231162610000161
端口。三极管TR2、TR3的基极连接逻辑触发器芯片IC1的Q2、
Figure BDA0002231162610000162
端口。开关瞬态波形下降沿经过电压-0.1VP时三极管TR14关断而三极管TR13导通，因而电阻R14将开关瞬态波形下降沿送IC1使其置位。开关瞬态波形上升沿经过电压-0.1VP时，三极管TR12导通而三极管TR11关断，电阻R13将上升沿送三极管TR10放大后将IC1中R2、
Figure BDA0002231162610000163
端口同时复位。逻辑触发器芯片IC1的Q2输出与开关瞬态波形上升、下降沿中电压均为-0.1VP的两点之间宽度(Tst)相等的脉冲，经三极管TR2、TR3组成的差分电路转换成与Tst宽度成正比的电流脉冲在电容C4上积分后，变成电荷量模拟信号，经过OP07型运算放大器IC4及其周围器件组成的负反馈放大器进行倒相放大，送给图6的TLC2543CN型模数转换器(ADC)芯片IC2，再送给主CPU，经过计算，驱动OLED12864-27型LCD芯片显示开关瞬态时间(Tst)。图14中滑动变阻器W4是Tst校正元件，决定TR2、TR3的电流。
简而言之，在图14左下角电阻R6上得到相当于-0.1VP的直流电压，与开关瞬态波形在两级电压比较电路(TR11和TR12连接TR2和TR3、TR13和TR14连接TR2和TR3)中开关瞬态时间(Tst)计量起、止点对应的电压进行比较、判别，最后从电容C16上输出与Tst成正比的电压，经IC4倒相放大后送A/D转换器转换成Tst数字信号，再由LCD芯片显示。经过两级电路后，开关瞬态波形除Tst时间段内的部分被反向放大并保留外，其余部分都变成了0。
图15为开关瞬态电流信号处理电路的差分放大电路三极管TR2、TR3集电极的波形，由图13所示的波形转换而成，测量时对幅度进行了衰减。图13所示DUT瞬时阻断电流持续的时间与图15开关瞬态电流信号处理电路转换的脉冲宽度一致，说明本发明的测量装置符合要求。
总结本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明使用单片机控制测量条件参数的输入、测量步骤、测量结果计算、驱动显示器等，调节高频脉冲电流源、阻断脉冲电压源、开关瞬态电流波形检测电路、开关瞬态电流信号处理电路等的工作状态，完成太赫兹渡越时间器件的开关瞬态电流波形及参数的测试，并自动计算和显示，为判断此类器件的可靠性提供实验依据，降低操作、分析难度，提高效率。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围。因此，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，其特征在于，包括单片机、显示单元、高频脉冲电流源电路、阻断脉冲电压源电路、开关瞬态电流波形检测电路和开关瞬态电流信号处理电路；其中，
所述高频脉冲电流源电路的输入端与所述单片机的第一端相连，输出端与待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，用于接收所述单片机下发的第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号转换成具有上升沿脉冲波形的高频脉冲电流信号，加载于所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)，使其瞬时导通；
所述阻断脉冲电压源电路与所述单片机的第二端相连，输出端与待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)相连，用于接收所述单片机下发的第二脉冲信号，并将所述第二脉冲信号转换成具有下降沿脉冲波形的阻断脉冲电压信号，加载于所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)，使其瞬时阻断；
所述开关瞬态电流波形检测电路的第一输入端、第二输入端分别与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)、阴极(-)相连，控制端与所述单片机的第三端相连，输出端与所述开关瞬态电流信号处理电路的输入端相连，用于接收所述单片机下发的第一检测指令，检测出所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)加载有高频脉冲电流信号后瞬时导通所产生的瞬态电流信号；或接收所述单片机下发的第二检测指令，检测出所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)加载有阻断脉冲电压信号后瞬时阻断所产生的瞬态电流信号；
所述开关瞬态电流信号处理电路的输出端与所述单片机的第四端相连，用于将所述开关瞬态电流波形检测电路检测出的所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)瞬时导通或瞬时阻断所产生的瞬态电流信号进行处理，并将处理结果送给所述单片机；
所述单片机的第五端与所述显示单元相连，用于显示所述第一脉冲信号、所述第二脉冲信号、所述第一检测指令、所述第二检测指令，以及将所述单片机接收到的所述开关瞬态电流信号处理电路的待测太赫兹渡越时间器件(DUT)瞬时导通或瞬时阻断所产生的瞬态电流信号参数、所述高频脉冲电流源电路的高频脉冲电流信号参数、所述阻断脉冲电压源电路的阻断脉冲电压信号参数送给所述显示单元进行显示。
2.如权利要求1所述的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，其特征在于，所述高频脉冲电流源电路包括第一三极管TR6、第二三极管TR15、第三三极管TR16、第四三极管TR7，以及用于产生脉冲信号的副CPU芯片IC9、生成电流幅度信号的数/模转换芯片IC17、第一运算放大器IC14A和第二运算放大器IC14B；其中，
所述第一三极管TR6的基极(B)与所述单片机第一端控制的副CPU芯片IC9的第一端及所述第二运算放大器IC14B的输出端均相连，TR6的发射极(E)与所述第二运算放大器IC14B的负输入端(-)相连，TR6的集电极(C)与所述第一运算放大器IC14A的正输入端(+)相连；
所述第二运算放大器IC14B的正输入端(+)与所述数/模转换芯片IC17的输出端相连，获得高频脉冲电流信号；
所述第一运算放大器IC14A的负输入端(-)与所述第四三极管TR7的发射极(E)相连，IC14A的输出端与所述第二三极管TR15及所述第三三极管TR16的基极(B)均相连；
所述第二三极管TR15的集电极(C)与第一内部直流电压源相连，所述第三三极管TR16的集电极(C)接地；所述第二三极管TR15及所述第三三极管TR16的发射极(E)与所述第四三极管TR7的基极(B)均相连；
所述第四三极管TR7的集电极(C)与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，给所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)加载高频脉冲电流，使其导通。
3.如权利要求1所述的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，其特征在于，所述阻断脉冲电压源电路包括高速驱动器芯片IC6、场效应管TR1和阻断电压脉冲下降沿调节电路M；其中，
所述高速驱动器芯片IC6的输入端与所述单片机第二端控制的副CPU芯片IC9的第二端相连，IC6的输出端与所述场效应管TR1的栅极(G)相连；
所述场效应管TR1的源极(S)接-30伏电压，TR1的漏极(D)与所述阻断电压脉冲下降沿调节电路M的输入端相连；
所述阻断电压脉冲下降沿调节电路M包括多组调节子电路，且每一调节子电路均由一个电感和一个继电器串联而成；其中，每一电感的一端均与所述场效应管TR1的漏极(D)相连，另一端均与对应的继电器的输入端相连；每一继电器的输出端均与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)相连；
所述多组调节子电路有六个；其中，所述电感有六个，包括电感L1～L6；所述继电器有六个，包括继电器J0～J5；每一个继电器的通或断均受到所述单片机的控制，导通的继电器由六个不同的电感产生六种下降沿不同的阻断电压脉冲，加载于所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)，使其阻断。
4.如权利要求1所述的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，其特征在于，所述开关瞬态电流波形检测电路包括继电器J6、采样电阻R19、第三运算放大器IC23、第四运算放大器IC5D、峰值检波电路、第五三极管TR4、第五运算放大器IC5A；其中，
所述继电器J6的输入端与所述单片机的第三端相连，所述继电器J6的输出端与所述第三运算放大器IC23的正输入端(+)相连；
所述第三运算放大器IC23的负输入端(-)与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阴极(-)及所述采样电阻R19的一端均相连；所述采样电阻R19把开关瞬态电流转换成电压信号，送给所述第三运算放大器IC23的负输入端(-)，R19的另一端接地；IC23的输出端与所述峰值检波电路的输入端相连；
所述峰值检波电路包括相接的二极管D17和电容C24；其中，所述二极管D17的阴极(-)与所述第三运算放大器IC23的输出端相连，D17的阳极(+)与所述第四运算放大器IC5D的正输入端(+)及所述电容C24的一端相连；所述电容C24的另一端与所述第五三极管TR4的发射极(E)相连；
所述第四运算放大器IC5D的输出端与所述开关瞬态电流信号处理电路的输入端相连；
所述第五运算放大器IC5A的正输入端(+)与第三内部电压源均相连，IC5A的负输入端(-)与所述待测太赫兹渡越时间器件(DUT)的阳极(+)相连，IC5A的输出端与所述第五三极管TR4的基极(B)相连；
所述第五三极管TR4的集电极(C)与所述开关瞬态电流信号处理电路的输入端相连。
5.如权利要求1所述的太赫兹渡越时间器件开关瞬态电流波形及参数测量装置，其特征在于，所述开关瞬态电流信号处理电路包括控制芯片IC1、两级电压比较电路K及差分放大电路；其中，
所述控制芯片IC1的第一端通过副CPU芯片IC9的第三端与所述单片机的第四端相连，IC1的第二端与所述两级电压比较电路K的差分放大电路相连；
所述两级电压比较电路K包括第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14；其中，第八三极管TR11及第九三极管TR12组成前一级电压比较电路；第十三极管TR13及第十一三极管TR14构成后一级电压比较电路；所述第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13的基极(B)与所述开关瞬态电流波形检测电路的输出端相连；所述第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14的集电极(C)与所述控制芯片IC1的第二端相连，并与所述差分放大电路中第六三极管TR2及第七三极管TR3的发射极(E)相连；
所述差分放大电路包括由所述第六三极管TR2及所述第七三极管TR3组成的差分电路以及第六运算放大器IC4；所述第六三极管TR2、第七三极管TR3的基极(B)与所述控制芯片IC1的第三端相连；TR2、TR3的发射极(E)与所述第八三极管TR11、第九三极管TR12、第十三极管TR13、第十一三极管TR14的集电极(C)相连；TR2、TR3的集电极(C)分别与所述第六运算放大器IC4的负输入端(-)、正输入端(+)相连；所述第六运算放大器IC4的输出端通过模/数转换器给所述单片机传送待测太赫兹渡越时间器件(DUT)正向导通瞬态电流、反向阻断瞬态电流的参数，由所述单片机计算、驱动所述显示单元，显示测量结果。
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Assignee: Yueqing Institute of industry, Wenzhou University

Assignor: Wenzhou University

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Denomination of invention: Device for measuring transient current waveform and parameters of terahertz transit time device

Granted publication date: 20200929

License type: Common License

Record date: 20201125

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