一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置及方法，满足了高压、大电流、大功率宽禁带半导体功率器件对带宽测试的特殊要求，避免了高压、大电流的共同发生等一系列导致被测宽禁带半导体功率器件损坏问题，使测试系统输出的功率稳定在设置的参考功率点上，并有效保证了宽禁带半导体功率器件的精确带宽测试。
【专利说明】
一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及带宽测试领域，具体是一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置及方法。
【背景技术】
[0002]由于Si功率器件受其发展的极限，尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性，因此开发研制宽禁带半导体器件已越来越被人们所关注。所谓宽禁带半导体(WBG)主要是指禁带宽度大于2.2电子伏特的半导体材料，包括II一O、II一S、II一Se、III一N、SiC、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率，因此他们比Si及GaAs更适合于制作高温、高频及高功率器件。
[0003]由此，宽禁带功率半导体器件的精密带宽测试、全带宽工作特性及测试时的实时功率监控就显得尤为重要。
[0004]目前，被测半导体功率器件响应电信号可以采用的检测方法有多种:峰值保持法、比较测量法、相关检测法等等，不同的算法都有各自的优缺点。峰值保持法:根据测试所得脉冲能量最大值和脉冲宽度值，通过计算求得脉冲峰值功率；但在高重复频率脉冲的情况下，直接测量单个脉冲能量有困难。比较测量法:比较式测量就是在原有的测量基础上引入一个参考臂，将两个测量传感臂的测量结果进行比较运算就可消除一些外界因素的影响，但其显著缺点是仅适用于功率较小的情况。相关检测法:通过分析噪声和信号的特性，知道信号与信号本身相关，而与噪声不相关，噪声之间也是不相关的，根据信号的相关性和噪声随机性的特点，处理信号，抑制噪声，提高衰减后的信噪比，因此使用相关检测原理设计的信号检测系统可以更加精确的检测。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置及方法，以解决现有技术存在的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置，其特征在于:主要包括锁相环频率信号合成电路、稳幅控制电路、调制电路、延时电路、信号源、实时功率监控、相关检测、积分电路、模数转换器、CPU电路、自动增益控制电路、温度相位控制电路、时基发生电路等。所述锁相环频率信号合成电路输出端与稳幅控制电路输入端连接，稳幅控制电路输出端与调制电路输入端连接，调制电路输出端与信号源电路输入端连接，信号源电路输出端与实时功率监控电路输入端连接，实时功率监控电路输出端与被测半导体器件输入端连接，被测半导体器件输出信号接入相关检测电路；同时，调制电路输出端与延时电路输入端连接，延时电路输出信号也接入相关检测电路；被测半导体器件输出信号与延时电路输出信号经相关检测电路处理后，其输出信号接入积分电路，积分电路输出端与数模转换器输入端连接，数模转换器与CPU处理单元进行通信并受其控制，CPU处理单元还对锁相环频率信号合成电路进行控制。另外，时基发生电路为锁相环频率信号合成电路提供所需的时基信号，自动增益控制单元使稳幅控制电路实现信号幅度稳
定，温度、相位控制单元实现信号源的温度稳定性和相位稳定性。
[0007]所述的一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试方法，其特征在于:锁相环频率信号合成电路在CPU的控制下合成测试所需的正弦频率信号，经过具有自动增益电平功能的稳幅控制电路后，通过调制电路进行信号调制，再通过具有温度、相位控制功能的信号源电路进行处理，经过实时功率监控电路进行信号功率检测、控制后，得到测试中被测半导体器件所需的激励调制信号，被测半导体器件对此产生相应的输出正弦电信号，同时，调制电路输出的调制信号经过延时电路的延时、整形后输出相应的调制参考信号，然后，调制参考信号与被测半导体器件的输出正弦电信号进行自相关检测，该相关检测信号经过积分电路的积分输出电压即为该调制频率下的被测半导体器件的响应信号；被测半导体器件响应信号为模拟信号，经过模数转换器进行A/D转换后，产生能够被CPU识别的数字信号，送到CPU处理单元电路进行被测半导体器件对应的控制处理。在进行模拟带宽实际测量时，信号源输出电压校正的正弦信号发生器驱动，先在低信号频率(IkHz数量级)测量产品的输出电流，然后使信号频率逐步增加，增加调制频率直到被测半导体功率器件的响应达到规定要求，即直到所测量的电流下降至低信号频率的0.70倍为止、此时所对应的频率是半功率频率或3dB下降频率，即可得到被测半导体功率器件的模拟带宽。
[0008]本发明在宽禁带功率半导体器件的精密带宽测试中，采用了一种具有实时功率监控功能的宽禁带半导体功率器件的带宽测试技术，即基于相关检测法的半导体功率器件模拟带宽测试技术，该技术构思巧妙，电路可靠实用。基本思路如下:锁相环在CPU的控制下合成测试所需的正弦频率信号，经过ALC自动增益电平稳幅控制后，进行信号调制，得到测试所需的激励调制信号，被测半导体功率器件对此产生相应的输出正弦电信号，它与经过延时、整形后的调制参考信号进行自相关，积分输出的电压即为该调制频率下半导体功率器件的响应。增加调制频率直到被测半导体功率器件的响应达到规定要求，即可得到被测半导体功率器件的模拟带宽。
[0009]本发明采用一种实时功率监控的相关检测带宽测试方法，可实现快速带宽测试及实时功率监控。具有较宽的带宽测试能力，以及较低的带宽频率测试误差；实现较强的功率监控能力，以及较低的功率监测误差。
[0010]本发明的有益效果是:首先采用锁相环频率信号合成技术，改善频率响应性能，提高频率精度和稳定性；其次采用相关检测技术，实现了带宽的精密测试；另外创造性地采用实时功率监控技术，实现测试系统的功率稳定性，保证了被测半导体的测试安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明装置结构原理框图。
[0012]图2为锁相环频率信号合成原理图。
[0013]图3为稳幅控制原理图。
[0014]图4为实时功率监控原理图。
【具体实施方式】
[0015]参见图1所示，一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置，其特征在于:主要包括锁相环频率信号合成电路、稳幅控制电路、调制电路、延时电路、信号源、实时功率监控、相关检测、积分电路、模数转换器、CPU电路、自动增益控制电路、温度相位控制电路、时基发生电路等。所述锁相环频率信号合成电路输出端与稳幅控制电路输入端连接，稳幅控制电路输出端与调制电路输入端连接，调制电路输出端与信号源电路输入端连接，信号源电路输出端与实时功率监控电路输入端连接，实时功率监控电路输出端与被测半导体器件输入端连接，被测半导体器件输出信号接入相关检测电路洞时，调制电路输出端与延时电路输入端连接，延时电路输出信号也接入相关检测电路；被测半导体器件输出信号与延时电路输出信号经相关检测电路处理后，其输出信号接入积分电路，积分电路输出端与数模转换器输入端连接，数模转换器与CPU处理单元进行通信并受其控制，CPU处理单元还对锁相环频率信号合成电路进行控制。另外，时基发生电路为锁相环频率信号合成电路提供所需的时基信号，自动增益控制单元使稳幅控制电路
实现信号幅度稳定，温度、相位控制单元实现信号源的温度稳定性和相位稳定性。
[0016]锁相环频率信号合成电路在CPU的控制下合成测试所需的正弦频率信号，经过具有自动增益电平功能的稳幅控制电路后，通过调制电路进行信号调制，再通过具有温度、相位控制功能的信号源电路进行处理，经过实时功率监控电路进行信号功率检测、控制后，得到测试中被测半导体器件所需的激励调制信号，被测半导体器件对此产生相应的输出正弦电信号，同时，调制电路输出的调制信号经过延时电路的延时、整形后输出相应的调制参考信号，然后，调制参考信号与被测半导体器件的输出正弦电信号进行自相关检测，该相关检测信号经过积分电路的积分输出电压即为该调制频率下的被测半导体器件的响应信号；被测半导体器件响应信号为模拟信号，经过模数转换器进行A/D转换后，产生能够被CPU识别的数字信号，送到CPU处理单元电路进行被测半导体器件对应的控制处理。在进行模拟带宽实际测量时，信号源输出电压校正的正弦信号发生器驱动，先在低信号频率(IkHz数量级)测量产品的输出电流，然后使信号频率逐步增加，增加调制频率直到被测半导体功率器件的响应达到规定要求，即直到所测量的电流下降至低信号频率的0.70倍为止、此时所对应的频率是半功率频率或3dB下降频率，即可得到被测半导体功率器件的模拟带宽。
[0017]通过上述原理框图的工作原理流程可以看出，在宽禁带功率半导体器件的精密带宽测试中，采用了独特的相关检测的信号测试方法，实现了宽禁带功率半导体器件带宽的精密测试，在此基础上，还创造性地采用了一种独特的实时功率监控技术，保证了整个测试系统的功率稳定性，进一步提高了宽禁带半导体功率器件的带宽测试的可靠性、准确性。
[0018]本发明的模拟带宽测试电路【具体实施方式】如图1所示:根据标准，模拟带宽测量时，信号源应以恒压或输出电压校正的正弦信号发生器驱动，先在低信号频率(IkHz数量级)测量产品的输出电流，然后使信号频率逐步增加，直到所测量的电流下降至低信号频率的0.70倍为止、此时所对应的频率是半功率频率或3dB下降频率，即模拟带宽。
[0019]本发明的电路原理图如图1所示。图中对于频率、幅度、功率等关键参数方面分别采用了相应的创新设计方法，主要电路参数设计如下:
1.锁相环频率信号合成设计
在锁相环频率信号合成设计中采用了一种能跟踪输入信号相位的闭环自动控制技术的设计方法，如图2所示。锁相环频率合成器是采用锁相环进行频率合成的一种设计技术，其工作原理是将压控振荡器产生的射频信号和晶振输出的参考信号分别进行分频，得到两个频率近似相等的信号，并送到鉴相器进行比较，输出误差信号，经滤波后去控制压控振荡器的输出，使压控振荡器输出的频率信号保持稳定。
[0020]图中鉴相器采用HMC439，频率高达1300MHz，单边带相位噪声仅为-153dBc/Hz，其较高的工作频率及超低的边带噪声，使环路具有宽环路带宽、高转换速率、低相位噪声；分频器采用SP8680可变模数分频器，其高达650MHz的工作速率及1/104的分频能力，使环路实现较高的频率分辨率；压控振荡器采用1L035高稳定频率输出压控振荡器，具有良好的温度补偿功能，温度响应频率误差仅为±2.5ppm。电路设计达到了低杂散、全频段的频率信号合成目标。
[0021]2.稳幅控制设计
在稳幅控制设计中采用了低噪声可控调整的设计方法，如图3所示。它的工作原理是首先对输出信号进行信号检波，信号检波电平输入到低噪声放大器的反相输入端，与同相端的参考电压进行低噪声比较放大，低噪声放大器的误差放大信号输入到低通滤波器，低通滤波产生相应的电压信号，最后通过可控放大器调整使输出信号幅值与参考值相等。
[0022]图中检波器采用高精度高稳定性的有效值检波器AD637。该检波器的特点是:可以直接测得各种波形的真实有效值，测量精度高，响应时间和信号幅度无关；比较器采用高精度、低噪声、低输入偏流的0P27G比较器；而可控放大器则采用线性调整率优越的PMOS功率放大器，使得输出的参考电压值易于控制。电路设计达到了幅值500mV、误差2%的较好设计目标。
[0023]3.实时功率监控设计
在实时功率监控设计中采用了基于数字程控技术的实时功率设计方法，如图4所示。(PU将设定的数字功率参数送到12位的DA转换器，DA转换器将数字功率参数转换为相应的模拟信号后，输出到前级放大电路，经放大后驱动功放单元，检测单元对功放单元的输出功率进行检测，将检测信号输出到12位的DA转换器，AD转换器将模拟功率参数转换为相应的数字信号后，再送到CPU单元进行处理控制，从而完成实时功率闭环监控。
[0024]图中CPU采用TI公司的DSP处理器LF2407处理器，其可扩展外部存储器的16位定点运算DSP控制能力，以及最小500nS的转换速度特性，在处理速度、智能化等方面具有强大的处理控制功能；功率检测部分采用12位的AD，功率控制驱动部分采用12位的DA，在检测和控制两方面均达到实时功率监控设计的精度要求；功放单元采用AD8367电路，保证输入信号从音频到500MH z带宽内增益是以dB为单位线性变化的。
[0025]本发明中最低带宽频率试验值为100Hz，最高带宽频率试验值为500MHz ;最小功率试验值为lmW，最大功率试验值为1000W。
[0026]由实验电路测试数据结果表明:1、电路具有较宽的带宽测试能力，可实现10Hz至500MHz范围内的带宽测试，带宽频率的最大测试误差仅为0.34% ;2、电路具有较强的功率监控能力，可实现ImW至1000W范围内的功率监测，功率监测的最大测试误差仅为0.31% ；说明电路具有很宽的带宽测试范围和良好的实时功率监控功能，达到了本发明专利的设计目标。
[0027]本发明采用了一种具有实时功率监控功能的宽禁带半导体功率器件的带宽精确测试技术，满足了高压、大电流、大功率宽禁带半导体功率器件对带宽测试的特殊要求，避免了高压、大电流的共同发生等一系列导致被测宽禁带半导体功率器件损坏问题，使测试系统输出的功率稳定在设置的参考功率点上，并有效保证了宽禁带半导体功率器件的精确带宽测试。
【权利要求】
1.一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试装置，其特征在于:主要包括锁相环频率信号合成电路、稳幅控制电路、调制电路、延时电路、信号源、实时功率监控、相关检测、积分电路、模数转换器、CPU电路、自动增益控制电路、温度相位控制电路、时基发生电路等；所述锁相环频率信号合成电路输出端与稳幅控制电路输入端连接，稳幅控制电路输出端与调制电路输入端连接，调制电路输出端与信号源电路输入端连接，信号源电路输出端与实时功率监控电路输入端连接，实时功率监控电路输出端与被测半导体器件输入端连接，被测半导体器件输出信号接入相关检测电路；同时，调制电路输出端与延时电路输入端连接，延时电路输出信号也接入相关检测电路；被测半导体器件输出信号与延时电路输出信号经相关检测电路处理后，其输出信号接入积分电路，积分电路输出端与数模转换器输入端连接，数模转换器与CPU处理单元进行通信并受其控制，CPU处理单元还对锁相环频率信号合成电路进行控制；另外，时基发生电路为锁相环频率信号合成电路提供所需的时基信号，自动增益控制单元使稳幅控制电路实现信号幅度稳定，温度、相位控制单元实现信号源的温度稳定性和相位稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种宽禁带半导体功率器件的带宽测试方法，其特征在于:锁相环频率信号合成电路在CPU的控制下合成测试所需的正弦频率信号，经过具有自动增益电平功能的稳幅控制电路后，通过调制电路进行信号调制，再通过具有温度、相位控制功能的信号源电路进行处理，经过实时功率监控电路进行信号功率检测、控制后，得到测试中被测半导体器件所需的激励调制信号，被测半导体器件对此产生相应的输出正弦电信号，同时，调制电路输出的调制信号经过延时电路的延时、整形后输出相应的调制参考信号，然后，调制参考信号与被测半导体器件的输出正弦电信号进行自相关检测，该相关检测信号经过积分电路的积分输出电压即为该调制频率下的被测半导体器件的响应信号；被测半导体器件响应信号为模拟信号，经过模数转换器进行A/D转换后，产生能够被CPU识别的数字信号，送到CPU处理单元电路进行被测半导体器件对应的控制处理；在进行模拟带宽实际测量时，信号源输出电压校正的正弦信号发生器驱动，先在低信号频率(IkHz数量级)测量产品的输出电流，然后使信号频率逐步增加，增加调制频率直到被测半导体功率器件的响应达到规定要求，即直到所测量的电流下降至低信号频率的0.70倍为止、此时所对应的频率是半功率频率或3dB下降频率，即可得到被测半导体功率器件的模拟带宽。
【文档编号】H03L7/18GK104135283SQ201410320974
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】王文廷, 吴仲, 李斌, 王群, 王俊, 汪成龙, 汪定华, 郭宇飞 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所