李亞南， 譚志良

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 靜電與電磁防護(hù)研究所， 河北 石家莊 050003)

0 引言

快上升沿電磁脈沖是非核電磁脈沖效應(yīng)研究的重要內(nèi)容之一。相對(duì)于其他類型的電磁脈沖，快上升沿電磁脈沖的上升時(shí)間更短，僅為0.3～1.0 ns[1-2]，具有更寬的頻譜帶寬和更豐富的高頻成分，電磁能量更易于通過天線、電源線以及各種孔縫耦合到設(shè)備內(nèi)部，作用于內(nèi)部電子元器件、集成電路等空間結(jié)構(gòu)體的脆弱部位，對(duì)微電子化敏感設(shè)備造成不可逆的損壞[3-5]，直接影響電子設(shè)備的正常工作。而在電磁脈沖防護(hù)方面，PIN二極管具有反應(yīng)迅速、恢復(fù)時(shí)間短、承受功率容量大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于限幅器研究中，以降低電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的沖擊[6]。PIN二極管對(duì)快上升沿電磁脈沖的限幅效果會(huì)直接決定電子設(shè)備能否正常工作，因此研究PIN二極管在快上升沿電磁脈沖作用下的瞬態(tài)響應(yīng)具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。目前對(duì)于電磁脈沖防護(hù)的研究，由于其技術(shù)和工藝的復(fù)雜性，以及本身的高度機(jī)密性，相關(guān)的國(guó)外文獻(xiàn)和報(bào)道較少。國(guó)內(nèi)對(duì)快上升沿電磁脈沖防護(hù)技術(shù)的研究尚少[7],文獻(xiàn)[8-9]對(duì)壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)器件在快上升沿電磁脈沖作用下的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，但功率容量不足、響應(yīng)時(shí)間不足成為電磁脈沖防護(hù)應(yīng)用的制約因素，因此大功率和快速響應(yīng)時(shí)間防護(hù)器件是一個(gè)值得研究的課題。

本文對(duì)PIN二極管電路在快上升沿電磁脈沖作用下的電壓特性進(jìn)行了仿真研究，給出了PIN二極管的限幅電壓、限幅響應(yīng)時(shí)間、尖峰泄漏參數(shù)在快上升沿電磁脈沖作用下的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于低通濾波器模型的快上升沿電磁脈沖防護(hù)電路模塊，并對(duì)防護(hù)電路模塊的快上升沿電磁脈沖防護(hù)性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 PIN二極管限幅仿真

1.1 快上升沿電磁脈沖

對(duì)于絕大多數(shù)微波半導(dǎo)體器件，電磁脈沖所造成的損傷都是由于電流熱效應(yīng)導(dǎo)致的，用器件的損傷能量來描述器件的損傷閾值比較合理。由于標(biāo)準(zhǔn)方波可以通過簡(jiǎn)單計(jì)算得到損傷能量，本文用方波代表任意復(fù)雜波形，進(jìn)行PIN二極管電路的瞬態(tài)響應(yīng)仿真。

快上升沿方波脈沖信號(hào)如圖1所示，主要包括上升時(shí)間(小于1.0 ns)、脈沖寬度td、下降時(shí)間、脈沖幅度等參數(shù)。

快上升沿方波脈沖信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：E為方波脈沖最大幅度值；±tr/2為方波脈沖幅值是最大值10%的時(shí)間；±tf/2為方波脈沖幅值是最大值10%的時(shí)間。

1.2 PIN二極管限幅電路瞬態(tài)分析

1.2.1 PIN二極管瞬態(tài)仿真電路

PIN二極管是一種常用的微波控制器件。在兩個(gè)高摻雜的P+和N+半導(dǎo)體之間加入一個(gè)電阻率極高的本征層，即I層，就構(gòu)成了PIN二極管，其物理結(jié)構(gòu)及等效電路圖如圖2所示。圖2中Rj和Cj為PIN二極管耗盡層的電阻和電容，Rs為串聯(lián)電阻，Cp為PIN二極管的管殼電容。

PIN二極管反向電阻比正向電阻高很多，因此單管限幅電路會(huì)輸出很高的負(fù)電壓，可能會(huì)對(duì)后級(jí)敏感器件造成損傷[10-11]。而在雙PIN管限幅電路中，由于兩個(gè)PIN二極管分別以正向、反向的形式并聯(lián)，故兩個(gè)管子并聯(lián)后的電阻在正向、反向的狀態(tài)下不會(huì)有很大的差別，對(duì)輸入信號(hào)的反向部分也有很好的限幅效果。

為了研究快上升沿方波脈沖信號(hào)作用下PIN二極管的瞬態(tài)響應(yīng)狀況，利用電路仿真軟件Advanced Design System(ADS)構(gòu)建了雙PIN管限幅仿真電路，如圖3所示，仿真模型中主線采用50 Ω的微帶線。由于PIN二極管管芯焊接使用金屬引線，在限幅仿真電路中引入了0.15 nH的小電感。PIN管限幅電路中采用的PIN二極管數(shù)值計(jì)算模型為一維結(jié)構(gòu)模型，I區(qū)厚度50 μm.

1.2.2 不同階躍電壓下PIN二極管的輸出

輸入端所加信號(hào)形式為快上升沿方波脈沖[12]，脈寬為3 ns，上升時(shí)間為1 ns，脈沖峰值幅度分別為500 V、1 000 V、1 500 V和2 000 V，雙PIN管限幅電路輸出電壓如圖4所示。

從圖4中可以看出，快上升沿電磁脈沖剛剛作用在電路上時(shí)，PIN二極管表現(xiàn)為高阻抗?fàn)顟B(tài)，電路輸出表現(xiàn)為尖峰泄漏輸出階段，這個(gè)過程持續(xù)了一段時(shí)間。隨著電磁脈沖的持續(xù)作用，大量的載流子注入到I區(qū)，使I區(qū)的載流子濃度升高，于是PIN二極管表現(xiàn)為低阻抗?fàn)顟B(tài)，電路尖峰泄漏功率減小，限幅電路輸出電壓逐漸進(jìn)入平頂泄漏階段，即限幅器的正常限幅狀態(tài)。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，尖峰泄漏產(chǎn)生的時(shí)間隨著輸入電壓的增大而減小。當(dāng)輸入脈沖峰值電壓為2 000 V時(shí)，PIN管限幅器尖峰泄漏狀態(tài)輸出時(shí)間約為284 ps；當(dāng)輸入脈沖峰值電壓為500 V時(shí)，PIN管限幅器尖峰泄漏狀態(tài)輸出時(shí)間約為498 ps. 相反地，PIN限幅器尖峰泄漏輸出電壓的峰值和電源電壓幅值呈正比，電壓源所加脈沖信號(hào)幅值越大，PIN限幅器尖峰泄漏階段的峰值電壓就越高。

1.2.3 不同上升時(shí)間下PIN二極管的輸出

信號(hào)源所加信號(hào)的形式為快上升沿的方波脈沖，脈寬為3 ns，脈沖峰值幅度為1 000 V，上升時(shí)間分別為0.1 ns、0.5 ns、1.0 ns，雙PIN管限幅器輸出電壓如圖5所示。

由圖5中可以看出，當(dāng)快上升沿電磁脈沖作用于PIN二極管時(shí)，PIN二極管輸出端產(chǎn)生明顯的電壓峰值，并且脈沖上升時(shí)間越大，產(chǎn)生電壓的峰值越小。脈沖的上升時(shí)間為 0.1 ns時(shí)，電壓峰值為421.2 V；當(dāng)脈沖的上升時(shí)間為1.0 ns時(shí)，電壓峰值為139.1 V.

由此可知，當(dāng)PIN二極管兩端施加快上升沿電磁脈沖時(shí)，雙PIN二極管限幅電路會(huì)輸出較大的尖峰泄漏電壓，并且尖峰泄漏隨著上升時(shí)間的增大而減小。這是因?yàn)楫?dāng)輸入快上升沿電磁脈沖信號(hào)時(shí)，PIN二極管需要一定的時(shí)間完成載流子的調(diào)制，導(dǎo)致此時(shí)的輸出電壓較大，產(chǎn)生尖峰泄漏[13]，上升時(shí)間越小，脈沖信號(hào)的高頻分量就越多，PIN二極管需要完成電導(dǎo)調(diào)制作用時(shí)間就越長(zhǎng)，導(dǎo)致泄漏較大的脈沖能量。因此在快上升沿電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮PIN二極管耐功率問題，還需要抑制輸出端的尖峰泄漏。

2 防護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 防護(hù)電路在大信號(hào)條件下的設(shè)計(jì)

PIN二極管的I區(qū)厚度直接決定著雪崩擊穿電壓，當(dāng)PIN二極管被電壓擊穿時(shí)，很容易導(dǎo)致自身?yè)p傷乃至燒毀。根據(jù)擊穿電壓可以得到I層厚度，擊穿電壓與I層的關(guān)系為

V=EBW,

(2)

式中：W為I層厚度；EB為I層的最大擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。

為了提高電路的功率承受能力，降低尖峰泄漏電壓，該模塊采用三級(jí)PIN二極管電路結(jié)構(gòu)，使用不同I層厚度的PIN二極管級(jí)聯(lián)，構(gòu)成寬帶低通濾波器，能對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的高頻成分起到很好的抑制作用。為了抑制快上升沿電磁脈沖、有效控制尖峰泄漏電壓，末級(jí)選擇了I層較薄的PIN二極管[14]，從而使防護(hù)模塊快速導(dǎo)通。

為銜接各級(jí)PIN二極管的起限電壓、承受數(shù)千伏電壓沖擊、獲取小的限幅電平，防護(hù)電路第1級(jí)采用PIN開關(guān)二極管，該型PIN開關(guān)二極管反應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，I區(qū)厚度能達(dá)到100 μm，能承受數(shù)千伏電壓沖擊，對(duì)強(qiáng)電磁脈沖信號(hào)進(jìn)行前期衰減。當(dāng)輸入電磁脈沖信號(hào)超過設(shè)定的相應(yīng)門限電平時(shí)，PIN開關(guān)二極管開啟，對(duì)大信號(hào)進(jìn)行前期衰減，從而在PIN開關(guān)二極管導(dǎo)通之前，只有很短時(shí)間的脈沖信號(hào)泄漏到后級(jí)。第2、第3級(jí)采用PIN限幅二極管，繼續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，將輸入信號(hào)限制在更低的電平，限幅二極管選擇了I區(qū)比第1級(jí)薄的PIN二極管，并配合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各級(jí)之間的配合。

2.2 防護(hù)電路在小信號(hào)條件下的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)防護(hù)電路的高隔離度和寬頻帶特性，以集總參數(shù)巴特沃斯低通濾波器電路為原型，通過擬合二極管寄生參數(shù)值，結(jié)合鍵合金絲電感參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于低通濾波器模型的防護(hù)電路，在保證對(duì)設(shè)備正常工作影響很小的前提下對(duì)快上升沿電磁脈沖的高頻成分起到抑制作用。選用了串聯(lián)電感作為第1元件來構(gòu)成低通濾波器，防護(hù)電路的小信號(hào)模型和低通濾波器一樣，低通濾波器的并聯(lián)電容數(shù)與PIN二極管數(shù)相同[15]。結(jié)合PIN二極管等效電路模型，引入金絲電感參數(shù)并構(gòu)建集總參數(shù)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，建立防護(hù)電路的小信號(hào)電路仿真模型如圖6所示，在ADS電路仿真軟件中，采用S參數(shù)仿真器優(yōu)化設(shè)計(jì)防護(hù)電路插入損耗S(2,1)和駐波比VSWR.

在實(shí)際電路加工過程中，選擇了PIN二極管管芯，其優(yōu)點(diǎn)在于未引入管殼封裝帶來的電容和電感，在使用多級(jí)PIN管芯情況下引入的插入損耗并不大。測(cè)試使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀為德國(guó)Agilent公司N5245A，測(cè)得S(2,1)參數(shù)如圖7所示，在1～250 MHz短波、超短波頻段范圍內(nèi)插入損耗小于0.38 dB.

3 防護(hù)電路測(cè)試和結(jié)果分析

3.1 防護(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試方法

具體試驗(yàn)設(shè)置參考國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB128A—1997半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法，搭建了由快上升沿電磁脈沖源、數(shù)字示波器、測(cè)試夾具和衰減器等組成的防護(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)[16]，如圖8所示。其中快上升沿電磁脈沖源包括靜電放電(ESD)模擬器和高頻脈沖發(fā)生器。ESD模擬器輸出靜電幅值范圍為0.3～30.0 kV，其性能指標(biāo)滿足國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2要求，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定第1個(gè)波峰的上升時(shí)間為0.7～1.0 ns；高頻脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅值為4 000 V高壓矩形脈沖，脈沖上升時(shí)間小于1.0 ns.

3.2 ESD注入試驗(yàn)

采用人體模型進(jìn)行ESD注入試驗(yàn)，在5 kV和8 kV兩個(gè)檔次的放電電壓下進(jìn)行注入試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，在不同幅值大小的靜電電磁脈沖注入下，防護(hù)模塊受到強(qiáng)電磁脈沖沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生過沖電壓，防護(hù)模塊均起到了一定的限幅作用：當(dāng)注入脈沖電壓值為5 kV時(shí)，防護(hù)模塊將電壓幅值限制在100 V以內(nèi)；當(dāng)注入脈沖電壓值為8 kV時(shí)，防護(hù)模塊將電壓幅值限制在160 V以內(nèi)。但是亦可以看到在單次ESD作用下，響應(yīng)曲線在過沖處振蕩明顯，過沖電壓峰值隨著注入脈沖電壓的增大而增大。

3.3 快上升沿方波脈沖注入試驗(yàn)

方波脈沖注入試驗(yàn)參考國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 538—88半導(dǎo)體器件電磁脈沖損傷閾值試驗(yàn)方法，用直接注入法來測(cè)定防護(hù)電路的限幅能力，方波脈沖注入試驗(yàn)環(huán)境與ESD注入試驗(yàn)環(huán)境相同。

首先對(duì)防護(hù)電路的限幅電壓進(jìn)行測(cè)定，方波源輸出幅值4 000 V、脈寬100 ns的單次方波信號(hào)，經(jīng)過防護(hù)模塊后輸出到示波器上，試驗(yàn)測(cè)試得到的輸出電壓波形如圖10所示。

使用連續(xù)方波信號(hào)對(duì)模塊的防護(hù)效果進(jìn)行測(cè)試。輸入測(cè)試波形峰值電壓4 000 V、周期16 ms、脈寬1 μs，經(jīng)過防護(hù)模塊后接入示波器，輸出波形如圖11所示。

在100 ns、500 ns和1 000 ns 3種脈沖寬度下分別進(jìn)行單次方波電磁脈沖注入試驗(yàn)，測(cè)試電壓分別為500 V、1 000 V、2 000 V和4 000 V. 試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從圖10、圖11中以及表1可知，在快上升沿方波脈沖注入下，測(cè)試電壓曲線前端都出現(xiàn)了電壓過沖，且泄漏電壓隨測(cè)試脈沖電壓增大而增大，響應(yīng)時(shí)間也有所增大。防護(hù)模塊能夠有效地將4 000 V的快上升沿方波脈沖限制到一個(gè)穩(wěn)定值，尖峰泄漏電壓控制在30 V以內(nèi)，限幅響應(yīng)時(shí)間小于2 ns，具有優(yōu)良的鉗位性能。但需要注意的是：在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，雖然PIN二極管的響應(yīng)時(shí)間標(biāo)注為皮秒量級(jí)，但實(shí)際上是指雪崩電子擊穿導(dǎo)電的時(shí)間，而在實(shí)際測(cè)試中響應(yīng)時(shí)間是指由加壓到穩(wěn)定鉗壓的時(shí)間，由于PIN二極管封裝形式的影響，其實(shí)際響應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)慢于其理論時(shí)間。在快上升沿脈沖注入下，元件殘壓曲線前端都出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象，且過沖峰值隨外施電壓幅值的增大而增大。

表1 方波脈沖限幅試結(jié)果

綜合以上測(cè)試結(jié)果可以看出，針對(duì)快上升沿電磁脈沖設(shè)計(jì)的防護(hù)模塊能夠?qū)o電電磁脈沖和快上升沿方波脈沖進(jìn)行有效抑制，防護(hù)輸出信號(hào)都被鉗位在一個(gè)較為穩(wěn)定的電壓幅值，具有良好的快上升沿電磁脈沖防護(hù)能力。

4 結(jié)論

本文對(duì)PIN二極管在快上升沿電磁脈沖作用下的瞬態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，并基于PIN二極管瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律設(shè)計(jì)了一款快上升沿電磁脈沖防護(hù)電路模塊，該模塊以集總參數(shù)巴特沃斯低通濾波器電路為原型，通過擬合二極管寄生參數(shù)值，結(jié)合鍵合金絲電感參數(shù)，構(gòu)成寬帶低通濾波網(wǎng)絡(luò)。最后對(duì)防護(hù)電路模塊的快上升沿電磁脈沖防護(hù)性能進(jìn)行了測(cè)試，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)PIN二極管兩端施加快上升沿電磁脈沖時(shí)，PIN二極管會(huì)出現(xiàn)尖峰泄漏，并且尖峰泄漏產(chǎn)生的時(shí)間隨著輸入電壓的增大而減小，尖峰泄漏的幅度隨著所加脈沖信號(hào)的增大而增大。

2)防護(hù)電路模塊具有良好的快上升沿電磁脈沖防護(hù)性能：在1～250 MHz，防護(hù)模塊的插入損耗小于0.38 dB；當(dāng)輸入的靜電電磁脈沖幅值為8 kV時(shí)，限幅輸出電平小于160 V；當(dāng)輸入的方波脈沖幅值為4 000 V時(shí)，限幅響應(yīng)時(shí)間小于2 ns，輸出電平小于30 V.