ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к силовой и радиоизмерительной технике и предназначена для использования в контрольно-измерительном оборудовании, в частности в системах измерения параметров, контроля и испытания силовых полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен формирователь прямоугольных импульсов, который содержит блок 1 управления, блоки 2 и 3 компенсации уровня, инверторы 4 и 5 и коммутатор 6. Блок 1 управления включает элементы ИЛИ/ИЛИ-НЕ 7-9, транзисторы 10 и 11, резисторы 12-17 и шины 18 и 19 питания. Блоки 2 и 3 компенсации уровня выполнены на р-n-n транзисторах 20 и 21, резисторах 22 и 23, конденсаторах 24 и 25 и шине 26 питания. Инверторы 4 и 5 содержат МДП-транзисторы 27-30, резисторы 31-34 и шины 35-37 питания. В состав коммутатора 6 входят МДП-ключи 38 и 39. (авторское свидетельство СССР №1674356 А1).
Известное устройство предназначено, в частности, для применения в системах контроля интегральных схем различной степени интеграции в качестве драйвера-задатчика тестовых напряжений. Недостатком указанного устройства является малая мощность выходных импульсов, что делает невозможным его применение для контроля и измерения параметров силовых полупроводниковых приборов.
Известен быстродействующий истоковый повторитель напряжения, содержащий первый входной полевой транзистор (1), затвор которого подключен ко входу (2) устройства, сток соединен с первой шиной (3) источника питания, а исток связан со второй шиной (4) источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (5) и подключен к выходу устройства (6), паразитную емкость нагрузки (7), включенную по переменному току между выходом устройства (6) и общей шиной источников питания (8). В схему введен дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения (9), вход которого соединен с выходом устройства (6), а выход подключен к истоку первого (1) входного полевого транзистора через дополнительный конденсатор (10) (патент РФ на изобретение №2530263 С1).
Известное устройство предназначено для работы в качестве выходного усилителя, обеспечивает формирование выходных импульсов в широком диапазоне частот, однако имеет следующие недостатки: отсутствие возможности задания уровня ограничения по выходному току, что существенно ограничивает область применения устройства для проведения измерений параметров полупроводниковых приборов.
Известен формирователь импульсов, содержащий логический блок 1, первый и второй транзисторы 2 и 3, дифференциальный усилитель 4, источник 5 тока, первый и второй резисторы 6 и 7, первый и второй конденсаторы 8 и 9, первый и второй делители 10 и 11, первый и второй МДП-транзисторы 12 и 13, первый и второй программируемые источники 14 и 15 (авторское свидетельство СССР №1800598 А1).
Известное устройство наиболее близко по своим функциям к предлагаемому устройству. Устройство предназначено для формирования программируемых уровней положительной полярности в широком диапазоне частот и напряжений для использования в контрольно-измерительном оборудовании. Недостаток известного устройства состоит в малой мощности выходных импульсов и в отсутствии возможности задания уровня ограничения по выходному току.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей полезной модели является увеличение мощности выходного импульса, а также обеспечение регулируемых уровней стабилизации напряжения и тока выходного импульса.
Технический результат состоит в том, что появилась возможность регулирования уровня напряжения и тока выходного импульса, а мощность выходного импульса может быть увеличена соразмерно увеличению количества каналов формирователя.
Указанная задача решена благодаря тому, что предлагаемый формирователь измерительных импульсов, включающий в себя,
положительный силовой выход (а),
отрицательный силовой выход (б),
положительный измерительный выход (в),
отрицательный измерительный выход (г),
вход задания тока (Уст. I),
вход задания напряжения (Уст. U),
плюсовая клемма питания (+Е)
минусовая клемма питания (-Е)
N каналов формирователя (К1, …, KN), где N, представляет собой целое число, большее либо равное 1, при этом каждый из каналов (К1, …, KN) содержит:
(i) транзистор 1, затвор которого подключен к выходу усилителя мощности 2, исток транзистора 1 подключен к силовому входу канала формирователя,
(ii) токоизмерительный шунт 3, первый вывод которого подключен к стоку транзистора 1, а второй его вывод соединен с выходом канала формирователя, при этом выход канала формирователя подключен к положительному силовому выходу формирователя измерительных импульсов,
(iii) усилитель мощности 2,
(iv) источник тока 6, выход которого соединен со входом усилителя мощности 2,
(v) дифференциальный усилитель 7, вход задания тока которого соединен со входом задания тока канала формирователя, первый вход дифференциального измерения соединен с первым выводом токоизмерительного шунта 3, второй вход дифференциального измерения соединен со вторым выводом токоизмерительного шунта 3,
(vi) диод 8, анод которого соединен со входом усилителя мощности 2, а катод соединен с выходом дифференциального усилителя 7;
конденсатор 5, положительный вывод которого подключен к силовому входу (а), а отрицательный его вывод подключен к отрицательному силовому выходу (б),
регулируемый источник 4, положительный вывод которого соединен с положительным выводом конденсатора 5, а отрицательный его вывод соединен с отрицательным выводом конденсатора 5,
диоды Д1, Д2, …, ДN, аноды которых соединены с входом обратной связи соответствующего канала формирователя (К1, …, KN);
дифференциальный усилитель 19, вход задания напряжения которого подключен ко входу задания напряжения (Уст. U), первый вход дифференциального измерения подключен к положительному измерительному выходу (в), второй вход дифференциального измерения подключен к отрицательному измерительному выходу (г), а выход дифференциального усилителя 19 соединен с катодами диодов Д1, Д2, …, ДN,
характеризующийся тем, что:
источник тока 6 содержит р-n-р-транзисторы 9 и 10, резистор 11, конденсатор 12, при этом эмиттеры транзисторов 9 и 10 соединены с плюсовой клеммой питания (+Е), коллектор транзистора 9 является выходом источника тока 6, базы транзисторов 9 и 10 соединены между собой, коллектор транзистора 10 соединен с первым выводом резистора 11 и первым выводом конденсатора 12, второй вывод резистора 11 соединен со вторым выводом конденсатора 12 и подключен к минусовой клемме питания (-Е),
дифференциальный усилитель 7 содержит операционный усилитель 13, резисторы 14, 15, 16 и 17, конденсатор 18, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с первыми выводами резисторов 14 и 15, инвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с первыми выводами резисторов 16 и 17, выход операционного усилителя 13 подключен к выходу дифференциального усилителя 7, второй вывод резистора 14 подключен к первому выводу токоизмерительного шунта 3, второй вывод резистора 15 подключен ко входу задания тока канала формирователя (Уст. I), второй вывод резистора 16 подключен к общей точке питания, второй вывод резистора 17 соединен со вторым выводом токоизмерительного шунта 3,
дифференциальный усилитель 19 содержит операционный усилитель 24, резисторы 20, 21, 22 и 23, конденсатор 25, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 24 соединен с первыми выводами резисторов 20 и 21, инвертирующий вход операционного усилителя 24 соединен с первыми выводами резисторов 22 и 23, выход операционного усилителя 24 подключен к выходу дифференциального усилителя 19, второй вывод резистора 20 подключен ко входу задания напряжения (Уст. U), второй вывод резистора 21 подключен к отрицательному измерительному выходу (г), второй вывод резистора 22 подключен к общей точке питания, второй вывод резистора 23 подключен к положительному измерительному выходу (в).
В целях обеспечения больших токов выходного импульса формирователь выполнен многоканальным.
Как показано на прилагающийся фигуре, являющейся неотъемлемой частью настоящего описания, каждый канал К1, К2, …, KN состоит из транзистора 1, усилителя мощности 2, токоизмерительного шунта 3, источника тока 6, дифференциального усилителя 7, диода 8. При этом сток транзистора 1 подключен к силовому входу канала формирователя, исток транзистора 1 соединен с первым выводом токоизмерительного шунта 3, а его второй вывод подключен к выходу канала, вход усилителя мощности 2 подключен к катоду диода 8, а его выход - к затвору транзистора 1.
Источник тока 6 состоит из р-n-р-транзисторов 9 и 10, резистора 11, конденсатора 12. При этом эмиттеры транзисторов 9 и 10 соединены с плюсовой клеммой питания, коллектор транзистора 9 является выходом источника тока, базы транзисторов 9 и 10 соединены между собой, коллектор транзистора 10 соединен с первым выводом резистора 11 и первым выводом конденсатора 12, второй вывод резистора 11 соединен со вторым выводом конденсатора 12 и подключен к минусовой клемме питания.
Дифференциальный усилитель 7 состоит из операционного усилителя 13, резисторов 14, 15, 16, 17, конденсатора 18, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с первыми выводами резисторов 14 и 15, инвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с первыми выводами резисторов 16 и 17, выход операционного усилителя 13 подключен к выходу дифференциального усилителя 7, второй вывод резистора 14 подключен к первому выводу токоизмерительного шунта 3, второй вывод резистора 15 подключен ко входу задания тока канала формирователя, второй вывод резистора 16 подключен к общей точке питания, второй вывод резистора 17 соединен со вторым выводом токоизмерительного шунта 3.
Формирователь измерительного импульса также включает в себя регулируемый источник 4, положительный вывод которого соединен с положительным выводом конденсатора 5, а отрицательный его вывод соединен с отрицательным выводом конденсатора 5, конденсатор 5, положительный вывод которого подключен к силовому входу канала формирователя, а отрицательный его вывод подключен к отрицательному силовому выходу формирователя измерительных импульсов, дифференциальный усилитель 19, диоды Д1, Д2, …, ДN.
Дифференциальный усилитель 19 состоит из операционного усилителя 24, резисторов 20, 21, 22, 23, конденсатора 25, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 24 соединен с первыми выводами резисторов 20 и 21, инвертирующий вход операционного усилителя 24 соединен с первыми выводами резисторов 22 и 23, выход операционного усилителя 24 подключен к выходу дифференциального усилителя 19, второй вывод резистора 20 подключен ко входу задания напряжения формирователя, второй вывод резистора 21 подключен к отрицательному измерительному выходу формирователя измерительных импульсов, второй вывод резистора 22 подключен к общей точке питания, второй вывод резистора 23 подключен к положительному измерительному выходу формирователя измерительных импульсов.
Дифференциальные усилители 19, обеспечивают возможность независимого измерения тока и напряжения, а также сравнения этих измеренных значений с сигналами соответствующих уставок. Дифференциальное измерение необходимо для исключения ошибки, появляющейся при протекании больших токов по цепи «земли», либо по проводам от формирователя до нагрузки (26). При протекании больших токов происходит падение напряжения на подводящих проводниках, в результате чего может появиться ошибка формирования. Дифференциальный усилитель позволяет избежать данной ошибки и обеспечить более точное формирование значений тока и напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1 изображена схема формирователя измерительного импульса.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Общая схема одного из вариантов осуществления формирователя по настоящей полезной модели показана на фиг. 1. Элементы, показанные на фиг. 1 выполняют следующие функции:
Регулируемый источник питания 4 обеспечивает заданный уровень напряжения на конденсаторе 5.
Конденсатор 5 запасает энергию, необходимую для формирования импульса заданной длительности.
Каналы формирователя К1, К2, …, КN обеспечивают формирование импульса на нагрузке 26. Нагрузка 26 подключается по 4-х проводной схеме: силовые выводы «а» и «б» и сигнальные (измерительные) выводы «в» и «г».
Вывод «а» является положительным силовым выходом формирователя измерительных импульсов.
Вывод «б» является отрицательным силовым выходом формирователя измерительных импульсов.
Вывод «в» является положительным измерительным выходом формирователя измерительных импульсов.
Вывод «г» является отрицательным измерительным выходом формирователя измерительных импульсов.
Источник тока 6 стабилизирует ток с целью обеспечения функции определения приоритета обратной связи по току или по напряжению.
Диод 8 обеспечивает функцию выбора приоритета обратной связи по току.
Дифференциальный усилитель 7 выполняет функцию измерения напряжения на шунте 3, которое соответствует значению формируемого тока канала, сравнения этого напряжения с сигналом задающего напряжения «Уст. I» и обеспечение обратной связи по току выходного импульса.
Дифференциальный усилитель 19 выполняет функцию измерения напряжения на нагрузке 26, сравнения этого напряжения с сигналом задающего напряжения «Уст. U» и обеспечение обратной связи по напряжению выходного импульса.
Диоды Д1, Д2, …, ДN обеспечивают функцию выбора приоритета обратной связи по напряжению.
Формирование выходного импульса происходит под управлением задающего напряжения по току импульса «Уст. I» и задающего напряжения по напряжению импульса «Уст. U».
Силовой ток формирования выходного импульса протекает по контуру: первый (положительный) вывод конденсатора 5, сток транзистора 1, первый вывод шунта 3, второй вывод шунта 3, вывод «а» нагрузки 26, вывод «б» нагрузки 26, второй вывод конденсатора 5.
В зависимости от сигнала управления на затворе транзистора 1 происходит открывание канала транзистора 1 до уровня, необходимого для обеспечения напряжения или тока выходного импульса. Какая из обратных связей (по току или по напряжению) будет ведущей определяется уровнями задающих напряжений по току и напряжению, а также сопротивлением нагрузки 26.
Процесс формирования выходного импульса происходит следующим образом:
1. Начальное состояние: установлен заданный уровень напряжения на выходе регулируемого источника 4, конденсатор 5 заряжен до уровня этого напряжения, задающие напряжения «Уст. I» и «Уст. U» равны нулю, диоды 8, Д1, Д2, …, ДN открыты, напряжение на входе усилителя мощности 2 меньше нуля, напряжение на затворе транзистора 1 меньше нуля, транзистор закрыт, ток нагрузки равен нулю.
2. Формируются задающие напряжения по току и напряжению «Уст. I» и «Уст. U», дифференциальный усилитель 7 сравнивает значение напряжения на шунте 3, соответствующее выходному току канала с задающим напряжением «Уст. I» и формирует положительный уровень напряжения на выходе, закрывается диод 8. Аналогично, дифференциальный усилитель 19 сравнивает значение напряжения на нагрузке с задающим напряжением «Уст. U» и формирует положительный уровень напряжения на выходе, закрывается диоды Д1, Д2…ДN.
3. Источник тока 6 обеспечивает положительный уровень напряжения на входе усилителя мощности 2. Усилитель мощности 2 формирует отпирающее напряжение на затворе транзистора 1.
4. Транзистор 1 открывается, формируется фронт импульса, начинает протекать ток по цепи: первый (положительный) вывод конденсатора 5, сток транзистора 1, первый вывод шунта 3, второй вывод шунта 3, вывод «а» нагрузки 26, вывод «б» нагрузки 26, второй вывод конденсатора 5.
5. Далее ток нагрузки или напряжение на нагрузке достигает заданного значения.
6. При достижении током нагрузки заданного значения, напряжение на выходе дифференциального усилителя 7 принимает отрицательное значение, открывается диод 8 и обеспечивается призапирание транзистора 1 и поддержание тока нагрузки на заданном уровне.
7. При достижении напряжением на нагрузке заданного значения, напряжение на выходе дифференциального усилителя 19 принимает отрицательное значение, открываются диоды Д1, Д2, …, ДN и обеспечивается запирание транзистора 1 и поддержание напряжения на нагрузке на заданном уровне.
8. Выдерживается требуемое время импульса, затем задающие напряжения «Уст. I» и «Уст. U» снимаются, транзистор 1 полностью запирается, формируется задний фронт выходного импульса.
Регулирование уровня тока в устройстве обеспечивается дифференциальным усилителем 7. Сигнал по току с токового шунта 3 сравнивается в этом усилителе с уставкой по току. Далее формируется разностный сигнал (сигнал ошибки), который поступает на вход усилителя 2 и далее на формирующий элемент (силовой транзистор) 1. Формирующий элемент обеспечивает регулирование выходного тока в соответствии с сигналом ошибки. Аналогично, регулирование напряжения выходного импульса обеспечивается дифференциальным усилителем 19. Выходное напряжение (цепи «в» и «г») поступает на этот усилитель и сравнивается с уставкой по напряжению. Усилитель 19 формирует сигнал ошибки по напряжению, который поступает через буферный усилитель 2 на регулирующий элемент.
Таким образом, в системе работают два контура обратной связи: ОС по току и ОС по напряжению.
Как будет понятно специалисту с учетов вышесказанного, увеличение мощности выходного импульса обеспечивается за счет многоканального исполнения формирователя. Каждый канал формирует импульс тока, затем на выходе эти импульсы складываются и максимальный выходной ток в результате будет равен N*I канала, где N это количество каналов, а I канала - это максимальный ток одного канала. Данное решение обеспечивает несколько преимуществ - модульность, гибкость при масштабировании, уменьшение требований к формирующему элементу.
В числе дополнительных преимуществ устройства можно упомянуть следующие.. Каналы устройства можно выполнить в виде модулей, каждый из которых обеспечивает заданную долю выходной мощности. При необходимости изменения требуемой выходной мощности достаточно задействовать требуемое количество каналов/модулей, что упрощает процедуру масштабирования решения. Обеспечивается уменьшение требований к формирующему элементу - при канальном исполнении уменьшаются требования к основному формирующему элементу - силовому транзистору (1). Например, если при построении формирователя на ток 1000 А нам понадобится один транзистор на 1000 А, то при канальном исполнении можно разбить устройство, например, на пять каналов, в каждом из которых применить транзистор на 200 А. Данное преимущество существенно упрощает проектирование высокотоковых формирователей в части выбора элементной базы.