Устройство для регистрации вольт-фарадных характеристик

(51)5 8 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ 3 ОПИСАНИЕ ИЗС)БРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт средстконтроля электронной аппаратуры и изделийэлектроннойтехники "Контрольприбор(56) Авторское свидетельство СССРМ 658508, кл. 6 01 й 31/26, 1979.Авторское свидетельство СССРЬЬ 1269060, кл. 6 01 й 31/26, 1986.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (57) Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых структур при производстве интегральных микросхем, Цель изобретения - повышение точности. В устройство, содержащее генератор 1 синусоидального напряжения, блок 2 обработки, сумматор 9, источник 10 напряжения смещения, графопостроитель 11, резисторы 12 и 13, образцовый конденсатор 16 и избирательный1674016 усилитель 17, введены операционныйусилитель 14 и загруждающий фильтрИзобретение относится к областиэлектронной техни:и и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых структур при производствеинтегральных микросхем.Целью изобретения является повышение точности.На чертеже представлена функциональная схема устройства для регистрациивольт-фарадных характеристик,Схема содержит генератор.1 синусои. дального напряжения, блок 2 обработки,состоящий из первого и второго фазосдвигающих элементов 3 и 4, переключателя 5,усилителя-ограничителя 6, фазочувствительного выпрямителя 7 и масштабирующего элемента 8, сумматор 9, источник 10напряжения смещения, графопостроитель11, резисторы 12 и 13, операционный усилитель 14, эаграждаюший фильтр 15, образцовый конденсатор 16, избирательныйусилитель 17 и общую шину (не обозначена).Эквивалентная схема измеряемого объекта 18 представляет собой параллельно соединенные резистор 19 и конденсатор 20.Выход генератора 1 синусоидальногонапряжения соединен с первыми входамиблока 2 обработки и сумматора 9. Источник10 напряжения смещения соединен с вторым входом сумматора 9, выход которогоподключен к горизонтальному входу графопостроителя 11 и к одной клемме дляподключения измеряемого объекта 18. Избирательный усилитель 17 соединен выходом с вторым входом блока 2 обработки,выход которого соединен с вертикальнымвходом графопостроителя 11. Образцовыйконденсатор 16 подключен одним выводомк входу избирательного усилителя 17 и кдругой клемме для подключения измеряемого объекта 18 и другим выводом - к выходу избирательного усилителя 17 и второмувходу блока 2 обработки, выход которогосоединен с вертикальным входом графопостроителя 11. Вход избирательного усилителя 17 подключен к первому выводу первого 15, что позволяет сформировать через первый резистор 12 цепь отрицательной обратной связи каскада, состоящего из второго резистора 13, операционного усилителя 14 и эаграждающего фильтра 15, при этом потенциал точки соедине 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ния первого вывода первого резистора 12 и второй клеммы для подключения измеряемого объекта 18 становится равным нулю, что обеспечивает соответствие между напряжением на выходе сумматора 9 и действительным падением напряжения смещения нэ измеряемом объекте 18, 1 ил. резистора 12 и через второй резистор 13 к инвертирующему входу операционного усилителя 14, подсоединенного неинвертирующим входом к общей шине и выходом - к входу заграждающего фильтра 15, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора 12.Первый фазосдвигающий элемент 3, вход которого является первым входом блока 2 обработки, подключен выходом к первому входу переключателя 5 и через второй фазосдвигающий элемент 4 к второму входу переключателя 5, выход которого подсоединен через усилитель-ограничитель 6 к первому входу фаэочувствительного выпрямителя 7, второй вход которого является вторым входом блока 2 обработки. Выход фазочувствительного выпрямителя 7 соединен с входом масштабирующего усилителя 8, выход которого является выходом блока 2 обработки.Устройство для регистрации вольт-фарадных характеристик работает следующим образом.К, измеряемом у объекту 18 прикладывается через сумматор 9 сумма линейно изменяющегося напряжения смещения с выхода источника 10 и синусоидального тестового сигнала с выхода генератора 1 синусоидального напряжения. Операционный усилитель 14 с вторым резистором 13 на входе и заграждающий фильтр 15 охвачен общей отрицательной обратной связью через первый резистор 12. Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя 14 соединен с общей шиной, то напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 14 близко к его напряжению смещения. Учитывая, что через второй резистор 13 протекает только входной ток операционного усилителя 14, значение которого очень мало, напряжение на первом выводе первого резистора 12 также близко к нулю. Падение напряжения Ог на измеряемом объекте 18 равноОг- Оюггде О - значение напряжения на выходе сумматора 9;Ов 12-1 - значение напряжения на первом выводе первого резистора 12.Поскольку значение напряжения на первом 5 выводе первого резистора 12 близко к нулю, то действительное падание напряже- ния на измеряемом объекте 18 равно напряжению на выходе сумматора 9, фиксируемому графопостроителем 11, Второй 10 резистор 13 введен для разделения входа избирательногоусилителя 17 и инвертирующего входа операционного усилителя 14. Заграждающий фильтр 15 введен для подавления переменной составляющей сиг-. 15 нала, чтобы обратная связь по переменному току через первый резистор 12 не осуществлялась.Выходное напряжение избирательного усилителя 17 равно 20011В) = 1 В), -- ) 1 Сд)С1) вС 1 ВР) где 011 а) - значение напряжения на выхо де избирательного усилителя 17;С - емкость измеряемого объекта 18;В - сопротивление измеряемого обьекта 18;С 1 - емкоСть образцового конденсатора 30 16;в - круговая частота синусоидального напряжения;01 ц а) - значение синусоидального напряжения (тестового сигнала) на выходе 35 сумматора 9.С выхода избирательного усилителя 17 сигнал, пропорциональный комплексной проводимости измеряемого объекта 18, поступает через второй вход блока 2 обра ботки на второй вход фазочувствительного выпрямителя 7. Синусоидальное напряжение с выхода генератора 1 через первый вход блока 2 обработки поступает на вход первого фазосдвигающего элемента 3. На пряжение с выхода первого фазосдвигающего элемента 3 через переключатель 5 поступает на вход усилителя-ограничителя 6, Опорное напряжение с выхода усилителя- ограничителя 6 поступает на первый вход 50 фазочувствительного выпрямителя 7. Каждый фазосдвигающий элемент (3 и 4) осуществляет сдвиг фазы синусоидального тестового сигнала на 90 О, При измерении емкости Сх конденсатора 20 измеряемого 55 объекта 18 (при регистрации вольт-фарадной характеристики) на вход усилителя- ограничителя 6 через переключатель 5 поступает напряжение с выхода второго фэзосдвигающего элемента 4. Следовательно, фазовый сдвиг между тестовым сигналом на выходе генератора 1синусоидального напряжения и опорнымнапряжением нэ первом входе фазочувствительного выпрямителя 7 составляет. 180,В этом случае фазочувствительный выпрямитель 7 выделяет нэ своем выходе напряжение, пропорциональное синфазнойсоставляющей напряжения 01 на выходеизбирательного усилителя 17, т.е,Увырв 1 =01 - К,СС(3)где Оф 4 В 1 - значение напряжения навыходе фазочувствительного выпрямителя 7;К - коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 7,С выхода фазочувствительного выпрямителя 7 выпрямленное напряжение, пропорциональное емкости измеряемогообъекта 18, поступает через масштабирующий элемент 8 на вертикальный входграфопостроителя 11. С помощью масштабирующего элемента 8 производятнормирование выходного сигнала фазочувствительного выпрямителя 7 на всех пределах и режимах работы,При измерении проводимости 6 измеряемого обьекта 18 (регистрации вольтсименской характеристики) на входусилителя-ограничителя 6 через переключатель 5 поступает напряжение с выхода первого фазосдвигающего элемента 3. Приэтом фазовый сдвиг между тестовым сигналом нэ выходе генератора 1 синусоидального напряжения и опорным напряжением напервом входе фазочувствительного выпрямителя 7 составляет 90 О. В этом случае фазочувствительный выпрямитель 7 выделяетна своем выходе напряжение, пропорциональное реактивной составляющей напряжения 011 на выходе избирательногоусилителя 17, т,е.1)ц фщ )1) - К (4)Таким образом, в результате включения первого резистора 12 в цепь отрицательной обратной связи каскада,состоящего из второго резистора 13,операционного усилителя 14 и заграждающего фильтра 15, потенциал точки соединения первого вывода первого резистора12 и второй клеммы для подключения измеряемого объекта 18 становится равнымнулю, что обеспечивает соответствиемежду напряжением на выходе сумматора 9 и действительным падением на1674016 Составитель В,Костюхин Редактор О.Спесивых Техред М.Моргентал Корректор М,Кучерявая, Заказ 2917 Тираж 415 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 пряжения смещения на измеряемом объекте 18 во всем диапазоне изменения напряжения смещения, При этом на горизонтальный вход графопостроителя 11 подается напряжение смещения с выхода сумматора 9, что исключает погрешность регистрации вольт-фарадной характеристики, вносимой сумматором 9.Максимальное отличие от нуля потенциала точки соединения первого вывода первого резистора 12 и второй клеммы для подключения измеряемого объекта 18 определяется следующим выражением:ОВ 12 - 1 = 1 ах 14 Й 13+ есм 14(5) где вх 14 - значение входного тока операционного усилителя 14,ес,1 д - напряжение смещения операционного усилителя 14;В 1 з - значение сопротивления 13.Для развязки входов избирательного усилителя 17 и операционного усилителя 14 достаточно обеспечить значение сопротивления" = 10 кОм. При использовании в качестве операционного усилителя 14 микросхемы К 544 УД 1 А имеем следующие значения величин, входящих в выражение (5): вхи = 0,5 нА, есм 14 = 50 мВ. Подставляя численные значения в выражение (5) имеемОк 12-1=05 10 10 "+50 10 з=0,5 10 +05 10 (6)Иэ (6) видно, что составляющая выражения (5), вызванная наличие входного тока операционного усилителя 14, представляет собой величину второго порядка малости по сравнению с составляющей выражения (5), вызванной напряжением смещения (есм = =50 мВ), т,е. выражение (5) можно переписать: Ою 2-1- есм 14. (7) Использование изобретения позволяет повысить точность регистрации вольт-фарадных характеристик измеряе мых объектов эа счет снижения абсолютнойпогрешности. Формула изобретения Устройство для регистрации вольт-фа радных характеристик, содержащее источник напряжения смещения, сумматор, избирательный усилитель, два резистора, блок обработки, грофопостроитель, образцовый конденсатор, общую шину и гейера тор синусоидального напряжения, выходкоторого соединен с первым входом блока обработки и первым входом сумматора, подключенного вторым входом к выходу источника напряжения смещения и выходом - 20 к одной клемме для подключения измеряемого объекта, другая клемма для подсоединения которого подсоединена к входу избирательного усилителя, к первому выводу первого резистора и через образцовый 25конденсатор- к выходу избирательного усилителя ик,второму входу блока обработки, выход которого соединен с вертикальным входом графопостроителя, о.т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, 30 оно снабжено последовательно соединенными операционным усилителем и заграждающим фильтром, выход которого соединен со вторым выводом первого резистора, первый вывод которого подключен 35 через второй резистор к инвертирующемувходу операционного усилителя, подсоединенного неинвертирующим входом к общей шине, а выход сумматора соединен с горизонтальным входом графопостроителя.