[發明專利]一種包含內部缺陷的光耦低頻噪聲等效電路構建方法

有效

• 申請號: 201310375716.5
• 申請日: 2013-08-26
• 公開（公告）號: CN104020404B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 黃姣英;孫悅;王宇飛;張曉雯
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種包含內部缺陷的光耦低頻噪聲等效電路構建方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：建立光耦的Pspice等效模型；其中，二極管D1代表光耦中的發光二極管即輸入端，三極管Q1代表光耦中的光敏晶體管，該光敏晶體管的集電極為光耦的輸出端；受控電流源H、受控電壓源G分別把電流轉換成電壓、把電壓轉換成電流，受控電流源H和受控電壓源G之間的回路電阻R₀和電容C₀形成一個通路，模擬光耦中的光電轉換過程；

步驟二：確定光耦的Pspice等效模型參數；在確定了光耦的Pspice等效模型后，需要對等效模型內部各參數進行設置，包括對其中的二極管模型參數、三極管模型參數以及受控電流源H、受控電壓源G的增益進行合理設置；各參數的設置均參考實際光耦的測試情況，在進行Pspice建模時參考的是安捷倫公司生產的HCPL-2530型光耦的測試情況；等效電路中，二極管的參數是利用Angilent測試儀器通過測試電壓-電流(U-I)曲線數據，再在Pspice的模型參數配置里進行回歸得出；光敏部分有多個元件，三級管Q1的模型參考技術手冊設置；二極管、三極管的模型參數為：

1)二極管D1

反向飽和電流IS的值為2.6359e-015，最小值是1e-020，最大值是0.1，默認是1e-014；

發射系數N的值為2.0723，最小值是0.2，最大值是5，默認是4；

寄生串聯電阻RS的值為1e-006，最小值是1e-006，最大值是100，默認是0.001；

corner for forward-beta high-current roll-off IKF的值為0，最小值是0，最大值是1000，默認是0；

2)三極管Q1

傳輸飽和電流IS＝7.0e-12；

正向電流增益NF＝1.23；

集電結零偏置勢壘電容CJC＝4PF；

發射結零偏置勢壘電容CJE＝14PF；

理想正向渡越時間TF＝10NS；

理想反向渡越時間TR＝10NS；

最大正向放大倍數BF＝500；

最大反向放大倍數BR＝10；

corner for forward-beta high-current roll-off IKF＝750MA；

forward Early voltage VAF＝40；

I_C為集電極電流；

步驟三：構建等效光耦低頻噪聲測試電路；低頻噪聲測試中，光耦處于小信號工作狀態，結合HCPL-2530型光耦的工作電路以及經過參數校正的光耦的Pspice等效模型，得到等效光耦低頻噪聲測試電路原理圖，按照其技術手冊提供的測試條件即發光二極管輸入電流I_F＝16mA，光敏晶體管集電極工作電壓V_O＝0.5V條件下，該型光耦的電流傳輸比值典型值為21％，設置等效光耦低頻噪聲測試電路的工作條件，計算電流傳輸比并調試光電轉換部分受控電流源H、受控電壓源G的增益以及電阻R₀、電容C₀、集電極回路電阻R₁的大小使電流傳輸比值與技術手冊提供的典型值相當；等效光耦低頻噪聲測試電路中，二極管輸出端施加16mA的輸入電流，輸出端施加0.5V偏置電壓進行仿真，此時基極電流為26.2μA，輸出端電流為3.248mA；繼續調節Pspice仿真電路中受控電流源H、受控電壓源G的增益和集電極回路中電阻R1的阻值，使仿真電路的測試結果貼近數據手冊提供的典型值；

步驟四：添加內部缺陷等效形式；在上一步驟中確定了等效光耦低頻噪聲測試電路后，在二極管D1的輸入回路中反向添加一個恒流源I₃，同時在三極管Q1的基極回路添加一個與受控電壓源G的電流反向的電流源I₄，I₃、I₄分別代表發光二極管中能捕獲載流子的陷阱和光敏晶體管中能捕獲載流子的陷阱；電流通過受控電流源H和受控電壓源G傳導至三極管Q1的基極中使之保持正向導通狀態，受控電流源H、受控電壓源G之間的電阻R₀和電容C₀保證電流信號的傳輸，三極管Q1的集電極為OUT端；

步驟五：通過Pspice軟件進行光耦電流傳輸比值分析及OUT端噪聲分析，改變等效模型內部陷阱數，作對比分析；

(1)當I₃＝0，I₄＝0時，仿真得到的輸出噪聲以1Hz時的噪聲功率譜值為參考，此時計算得到電流傳輸比值：CTR₀＝I_C/I_F＝3.248/16＝20.3％；I_C為三極管Q1的集電極電流；

(2)當等效模型內部缺陷陷阱數增多時，陷阱俘獲載流子的能力會增加；取I₃＝100μA，I₄＝0A,模擬發光二極管一側的缺陷擴大、陷阱增多情況，此時輸出噪聲CTR₁＝I_C/I_F＝3.246/16＝20.2％；

(3)同理，取I₃＝0A，I₄＝10μA，模擬光敏晶體管一側等效模型內部缺陷擴大、陷阱增多情況，此時輸出噪聲CTR₂＝I_C/I_F＝3.088/16＝19.3％；

由電路仿真得到的結果可知，在低頻1～10Hz內，當等效模型內部缺陷擴大、陷阱數增加時，有S_1,2(1Hz)>S₀(1Hz),CTR_1,2＜CTR₀，即輸出端低頻噪聲增大，而計算得到的電流傳輸比值CTR下降。