Устройство для измерения добротностии емкости варикапов

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ иц 800910(51)М. Кл.С 01 й 31/26 С 01 Р 27/26 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(71) За яв и тель Минский радиотехнический институт(54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ И ЕМКОСТИ ВАРИКАПОВИзобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначенодля измерения добротности и емкостиварикапов в параллельной схеме замещения и может быть использовано притехнологическом контроле параметровполупроводниковых приборов и другихобъектов с неблагоприятными соотношениями .составляющих полных проводимостей.Известное устройство для измерения добротности и емкости полупроводниковых приборов, основанное на компенсации вносимых потерь в измерительном контуре при его ударном воз-. 1буждении и содержащее измерительныйконтур с образцовым конденсаторомпеременной емкости и образцовой отрицательной активной проводимостью,системы ударного возбуждения колебаний и автокомпенсации потерь, а.также аналоговый делитель с регистрирующим прибором и исследуемый элементс источником и измерителем напряжения смещения 11.Это устройство может работать наповышенных частотах (несколько единиц или десятков МГц), однако, из-эавлияния неравномерности активных потерь образцового конденсатора при эа- ЗО мещении его емкости емкостью вари- капа, оно не обеспечивает необходимой точности измерений. Кроме этого, устройство имеет низкую производительность вследствие трудностей автоматизации измерений по реактивной составляющей.Известно устройство для измерения добротности и емкости варикапов, содержащее регистрирующий прибор, источник напряжения смещения, а также последовательно соединенные генератор, управляемыйпо частоте, частотный модулятор, измерительный блок, систему авторегулировки приращения частоты, подключенную ко второму входу частотного модулятора, а систему поиска резонансной частоты, один иэ выходов которой соединен с генератором, управляемым по частоте, а второй - с системой авторегулировки приращения частоты 21.При измерении параметров варикапов с помощью этого устройства, необходимо располагать образцовым конденсатором переменной емкости, включенным в состав измерительного блока, а также источником напряжения смещейия. Следует отметить, что применение образцовых, конденсаторов переменной20 35 9яое гт,С емкости является обязательным условием практически для всех методов измерения параметров варикапон.Цель изобретения - повышение точности и автоматизации измерений,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения добротности и емкости нарикапон, содержащее регистрирующий прибор, источник напряжения смещения, последовательно соединенные генератор, управляемый по частоте , частотный модулятор, измерительный блок, систему авторегулировки приращения частоты, подключенную ко второму входу частотного модулятора, и систему поиска резонансной частоты, один иэ выходов которой соединен с генератором, управляемым по частоте, а второй - с системой авторегулировки приращения частоты, введены переключатель, генератор управляющих импульсов, линейный и квадратичный преобразователи, пять синхронных демодуляторов, одно сравнивающее, дна вычитающих, дна множительных и два множительно-дели- тельных устройств и источник опорного напряжения, подключенный к одному из нходон сравнивающего устройства, выход которого соединенс измерительным блоком, причем вход линейного преобразователя подключен к выходу системы авторегулировки приращения частоты, а вход квадратичного преобразователя - к точке соединения системы поиска резонансной частоты и генератора, управляемого по частоте, к которой подключен также информационный вход первого синхронного демодулятора, информационные входы второго и третьего синхронных демодуляторов соединены с выходом квадратичного, а четвертого и пятого с выходом линейных преобразователей, управляющие входы второго и четвертого синхронных демодуляторов подключены к одному выходу, а первого, третьего и пятого - ко второму выходу генератора управляющих импульсов, соединенному с переключателем один вывод которого подключен к измерительному блоку, а второй - к исследуемому элементу выходы второго и третьего синхроннйх демодуляторов соединены с соответствующими входами первого вычитающего и делительными входами первого множительно-дели- тельного устройств, а также первыми входами второго и первого множительных устрОйств, вторые входы которых подключены к выходам соответственно пятого и четвертого синхронных демодуляторов, а выходы - к соответствующим входам второго вычитающего устройства, выход которого соединен с делительным входом второго множительно-делительного устройства, один иэ множительных входов которого подключен к выходу .первого синхронного демодулятора, а второй - к выходуперного нычитающего устройства, соединенному с множительным входом первого множительно-делительного устройства, выход которого соединен с 5одним входом регистрирующего прибора, другие входы которого подключены к выходам первого синхронногодемодулятора, соединенного со вторымвходом сравнивающего устройства,нторого множительно-делительногоустройства и источника напряжениясмещения, соединенного с измерительным блоком.Измеряемые добротность и емкостьнарикапа н параллельной схеме заме щения представлены н следующем ниде;2 1дд)хд д 1 о уд )дрдйГдд, д/ю 2 ддк(ддди .ди ид2 22 2, В г 2 ь - резонансные частоты и приращения частот, задаваемые при определении второй производной от АЧХ измерительного блока, соответственно при отключенном и подключенном исследуемом элементе;ЧГ - число, показывающее но сколько раэ половина полосы пропускания измерительного блока на уровне 0,707 (6 С(о) больше приращения частотызадаваемого при определении второй производной, равное)афо 2 ог 1 . Ю 2 д ддТ яддд (з) 2 и К - коэффициенты преобразованиячастот фи приращений частоть ь в напряжения, соотнетствен1но. О )ъ и ьОЪЯЯИ О - добротности измерительногоблока, соответственно при отключенном и подключенном исследуемом элеиндуктинность измерительногоблока.Действительно, при отключенномварикапе измерительный блок, хара- ЗО ктеризующийся добротностью О ,. емкостью ( и резонансной частотойимеет эквивалентное сопротивление При подключении к измерительномублоку исследуемого варикапа изменяется его резонансная частота и добротность, которые принимают значения 66 и и Ц, при этом эквивалентное сопротивление блока равнаО 2 21 И С Ф)ж 1 сТак как частота, на которой работает варикап, приобрела значение 2 то эквивалентное сопротивление исследуемого варикапа определяем на этой частоте по формуле боеь = --ОЬ ггСЬ(7). получаем 2 Щ(ССЬ) 2 й 1 С 1 2 КХгС 4 р Щ 02 01 Ь Отсюда искомая добротность варикапаравна 25 а с=с,.фас,(8) 30 Используя известное уравнение Томсона, связывающее резонансную частоту с индуктинностью и емкостью контура, подставляем неизвестные величины емкостей С и Сг через соот ветствующие резонансные частоты и индуктивность . измерительного бло- ка.Г 402 щЬ . С 1= рМщг 3. (9) При подстановке (9) н (6) выражение для искомой емкости варикапа 45приобретает вид (2),Для определения неизвестных величин Яи г носпользуемся соотношением (3 ), описывающим работу известного устройства, Подставляя (9),(2 ) и (3 ) в ( 8 ), получаем напряжениедля искомой добротности варикапа ввиде уравнения (1) .Устройство в автоматическом режиме осуществляет модуляцию параметровизмерительного блока путем поочередного подключения и отключения исследуемого элемента с одновременным непрерывным слежением за состояниемрезонанса и приращением частоты, соответствующим заданному числу 41 и 9добротности измерительного блока,последующей обработкой получаемойпри этом информации в виде напряжений04, 0 г, ь 0, д 0 и вычислением по (1и (2 ) величин искомых параметров.Я Известно, что при параллельном 10 включении двух элементов их проводимости, складываются На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения добротности и еМкости варикапов.Устройство включает следующие основные, соединенные в кольцо, функциональные блоки: генератор 1, управляемый по частоте, частотный модулятор 2, измерительный блок 3, систему 4 авторегулировки приращения частоты, осуществляющую стабилизацию числа А независимо от модуляции параметров измерительного блока 1, путем изменения амплитуды ступенчатого напряжения, воздействующего на второй вход модулятора 2, и систему поиска 5 резонансной частоты, производящую непрерывное слежение за состоянием резонанса в измерительном блоке за счет изменения частоты генератора 1 и управляющую системой 4 при больших расстройках блока 3, Измерительный блок 3 представляет собой параллельный резонансный контур, включающий катушку индуктивности Ь, связанную посредством витка связи с выходом частотного модулятора 2, и варикап, который совместно с двумя разделительными конденсаторами образует;правляемую напряжением емкость С, взамен образцового конденсатора переменной емкости. Для осуществления модуляции пара-. метров измерительного блока в устройство нведен переключатель б, коммутирующий исследуемый элемент 7 параллельно к блоку. 3. Получаемая,при этом информация обрабатывается в соответствующих каналах. Первый синхронный демодулятор 8 представляет собой канал регистрации частоты, на которой производятся измерения параметров вари- капов, а квадратичный преобразователь 9 амплитуды импульсов, второй и третий синхронные демодуляторы 10 и 11, первое вычитающее устройство 12 и первое множительно-делительное устройство 13 - канал измерения емкости. В состав канала измерения добротМости входят линейный преобразователь 14 амплитуды и частоты импульсов, четвертый и пятый синхронные демодуляторы 15 и 16 и устройства перное и нторое множительные 17 и 18, второе нычитающее 19 и второе множитель- но-делительное 20. С помощью генератора 21 управляющих импульсов производится синхронизация работы переключателя б и демодуляторов 8, 10, 11, 15, 16. Сравнивающе. устройство 22 с источником опорного напряжения 23 образует систему стабилизации частоты измерений независимо от величин реактивной составляющей исследуемых элементов. Источник 24 напряжения смещения через измерительный блок 3 и переключатель б осуществляет подачу необходимого смещения на исследуемый элемент 7, а регистрирую40 45 55 60 65 50 щий прибор 25 - индикацию всех измеряемых величин,Работа устройства происходит в автоматическом режиме в соответствиисо следующим алгоритмом.Измерительный блок 3 с подключенным исследуемым варикапом 7 настраивается на определенную частоту, например, Ф , Это связано с тем, чтодобротность варикапа является частотно-зависимым параметром и частотуизмерения необходимо фиксировать,иначе затрудняется сравнение результатов измерения. В установившемсярежиме эта настройка осуществляетсяс помощью системы стабилизации частоты измерения путем замещения емкости измерительного блока емкостью исследуемого варикапа, причем резонансв измерительном блоке 3 поддерживается непрерывно с помощью системы5 поиска резонансной частоты за счетперестройки частоты генератора 1.На заданной частоте 1 определяется добротность Ц(3) и емкость С 2(9) измерительного блока с подключенным варикапом, т. е. эквивалентные2им лиили их аналоги а У иЦ , с последующим хранением информации об этих параметрах,Исследуемый варикап отключаетсяот измерительного блока, при этомемкость С измерительного блока сотключенным варикапом сохраняетсянеизменной на определенное время,достаточное для протекания переходных процессов в системах автоматического регулирования и регистрации новых значений параметров измерительного блока, а резонанс достигаетсяна новой частотепутем перестройки частоты генератора 1,На частотеопределяются новыезначения добротности Я и емкостиС измерительного блока 3, т. е.йэквивалентные им Ьф иили ихганалоги Л У и 0 с последующим хранением информацйи об этих параметрах.Полученная информация о параметрах измерительного блока с цодключенным(й;С Д ) и отключеннымОСи) исследуемым варикапом обрабатывается в соответствующих каналахс последующим вычислением в соответствии с Формулами 1) и (2 ) величинискомыхпараметров,В исходном состоянии, когда подвлиянием управляющих импульсов генератора 21 переключатель б находитсяв состоянии, подключающем к измерительному блоку 3 исследуемый элемент7, смещенный необходимым напряжениемисточника 24, а синхронные демодуляторы 8, 11, 16, 10, 15 соответственно в режиме накопления и храненияинформации, на один из входов частотного модулятора 2 поступает напряжение произвольной частоты от генератора 1, а на второй - ступенчатое напряжение определенной амплигудысистемы 4 авторегулировки приращениячастоты, при этом система 5 поискане получая управляющего сигнала через систему 4 с выхода измерительного блока 3, перестраивает генератор1 в пределах диапазона частот до техпор, пока его частота не войдет в полосу пропускания измерительного блока 3 и не совпадает с резонансной.Резонансная частота измерительногоблока 3 в начальный момент времениоказывается смещенной в противоположный началу перестройки край диапазона генератора 1 под влиянием большого разностного сигнала, возникающегов сравнивающем устройстве 22 за счетпреобладания одного из напряжений;опорного напряжения источника 23или выходного напряжения синхронногодемодулятора 8, в зависимости от того, с какого края диапазона начичается перестройка частоты генератора1 снизу вверх или сверху вниз, Перестраивая частоту генератора 1 снизувверх, выходное напряжение системы5 поиска возрастает, вызывая увеличение напряжения на выходе синхронного демодулятора 8, которое, преодолевая в сравнивающем устройстве 22опорное напряжение источника 23, способствует вхождению частоты генератора 1 в полосу пропускания измерительного блока 3 и появлению сигнала навыходе последнего, Это приводит вдействие систему 4 регулировки приращения частоты, в которой образуются напряжения, пропорциональные первой и вторым производным в соответствующих точках АЧХ. При прохождениичерез точку резонанса первая производная изменяет свой знак на противоположный и останавливает систему 5пояска, переводя ее в режим автоподстрбйки. С этого момента времени система стабилизации частоты измеренияполучает приоритет по отношению ксистеме 5 поиска и выходное напряжение синхронного демодулятора 8, непрерывно сравниваясь с опорным напряжением источника 23 в устройстве 22,продолжает перестраивать измерительный блок 3, приближая его резонансную частоту к частоте измерения(1), (2 ), определяемой начальнымиусловиями (уровнем опорного напряжения источника 23 ), с последующей еестабилизацией в установившемся режиме независимо от влияния различныхФакторов. В это же время система 5поиска осуществляет непрерывное слежение за состоянием точной настройкигенератора 1 на резонансную частотуизмерительного блока 3 и, воздействуяна систему 4, разрешает ей авторегулировку приращения частоты, при этомначинает изменяться амплитуда ступенчатого напряжения во втором входг.частотного модулятора 2. Эта ампчч .уда продо/зае н:3 ме 1 мяГься цо техл:, пока выходное напряжение модулятора 2, получив приращение частот,пропорциональные д , и пройдя измерительный блок 3, обладающий добротностью О, не создаст соотношение напряжений вторых производных вточке резонанса и точке, отстоящейот первой на величину д, соответствующее установленному числуСпустя некоторое время система 4авторегулировки приращения частоты оприходит в равновесное состояние,непрерывно поддерживая постоянной сзаданной степенью точности и в соответствии со значением добротностиизмерительного блока, величину амплитуды ступенчатого напряжения, пропорциональную ь., независимо отдействия различных факторов.Одновременно с протеканием переходных процессов в рассматриваемых 20системах производится непрерывнаяобработка их выходных сигналов, Влинейном преобразователе 14 происходит выпрямление ступенчатого напряжения с выхода системы 4, а в квадратичном преобразователе 9 - возведение в квадрат напряжения с выходасистемы 5 поиска. Преобразованныенапряжения воздействуют на информационные входы синхронных демодуляторов 15, 16 и 10, 11.К моменту окончания переходныхпроцессов установившиеся выходныенапряжения систем 4 и 5, пропорциональные приращению частоты ьи резонансной частоте, преобразовав 35шись в линейном и квадратичном преобразователях 14 и 9 в напряжения а О2и О ,оказываются накопленными соответственно в синхронных демодуляторах 16 и 11, находящихся все это 40время в режиме накопления информациипод влиянием генератора 21. По окончании управляющего импульса генератора 21, длительность которого согласована со временем установления переход-)5ных процессов в системах 4 и 5, синхронные демодуляторы 811 и 16 переходят в режим хранения информации,причем синхронный демодулятор 8, сохраняя накопленную информацию, удерживает на определенное наперед заданное время постоянным выходное напряжение сравнивающего устройства 22,а следовательно, и величину управляемой реактивной проводимости измерительного блока 3, соответствующую его 5точной настройке с подключенным исследуемым элементом 7 на резонанснуючастоту, Одновременно с этим навтором выходе генератора 21 образуется импульс, который переводит синхрон-щные демодуляторы 10, 15 в режим накопления информации, а переключательб во второе состояние, отключающее исследуемый элемент 7 от измерительно.о блока 3,При отключении исследуемого элемента 7 происходит модуляция параметровизмерительного блока 3, при этом системы 4 и 5, стремясь сохранить условия резонанса и постоянство числапри другой добротности Оизмерительного блока 3, вызывают изменения напряжения на втором входе частотногомодулятора 2 и управляющем входе генератора 1, что приводит к перепаду напряжений на выходах линейного и квадратичног пРеобразователей 14 и 9 и,следовательно, к непрерывному накоплению информации в синхронных демодуляторах 15 и 10.Изменяющееся напряжение демодулятора 10 обрабатывается в соответствиис 2) в канале измерения емкости, т. е.вычитается в устройстве 12 с хранимымнапряжением демодулятора 11, а образующаяся разность напряжений подвергается делению в множительно-делительном устройстве 13 на напряжениясинхронных демодуляторов 10 и 11 ипоступает на регистрирующий прибор25. Одновременно с этим выходное напряжение демодулятора 15 обрабатывается в соответствии с 1 ) в каналеизме,ения добротности, т. е. перемножается в множительном устройстве17 с хранимым напряжением демодулятора 11 и вычитается в устройств .19 с перемножаемым в множительномустройстве 18 напряжением демодулятора 16 и изменяющимся напряжениемдемодулятора 10, а получаемая разность, воздействуя на делительныйвход множительно-делительного устройства 20, производит деление на данную разность перемножаемых в этомже устройстве напряжений с выходовсинхронного демодулятора 8 и вычитающего устройства 12 и поступает нарегулирующий прибор 25,По установлению в рассматриваемомустройстве переходных процессов, когда выходные напряжения систем 4 и 5станут соответствовать в точностиприращению частоты йи резонансной частоте1, генератор 21, заканчивая формирование управляющегоимпульса на своем втором выходе, переводит синхронные демодуляторы 15и 10 в режим хранения накопленнойинформации в виде напряжений ь 1 и0 (1), (2), при этом выходныенапряжения множительно-делительныхустройств 13 и 20 оказываются точносоответствующими измеряемым емкостии добротности исследуемого варикапаи регистрируются прибором 25.Спустя некоторое предельно короткое время, достаточное только длярегистрации измеряемых емкости и добротности, индикация измеряемых параметров может производиться напряжения смещения и частоты измеренияза время действия соответственно йервого и второго управлявших импульсная800910 12 Формула изобретения 40 генератора 21; емкости и добротности за время измерения параметров следующего варикапа; смена варикапа - за время действия второго импульса генератора 21; укаэанные связи генератора 21, синхронизирующие работу регистрирующего прибора 25 и смену варикапа 7, не показаны), снова срабатывает генератор 21 управляющих импульсов и процессы в измерительном устройстве периодически повторяются , производя измерения параметров следующего варикапа.Повышение точности измерений обеспечивается прежде всего, использова.нием в устройстве изложенного выше метода определения соответствующих 15 параметров, позволяющим практически полностью исключить составляющие погрешности, обусловленные влиянием неравномерности активных потерь управляемой реактивной проводимости иэ- Щ мерительного блока при замещении ее емкости емкостью варикапа, которые присущи всем известным методам измерений и являются преобладающими при больших значениях добротности исследуемых элементов, достигая десятков процентов. Таким образом, при учете остаточной погрешности, связанной с неравномерностью активных потерь управляемой реактивной проводимости измерительного блока, которую можно получить не выше +0,1 Ъ выигрыш в точности по этой составляющей составляет несколько сотен раэ. Устройство для измерения добротности и емкости варикапов, содержащее регистрирующий прибор, источник напряжения смещения, а также последовательно соединенйые генератор, управляемый по частоте, частотный модулятор, измерительный блок, систему авторегулировки приращения частоты, подключенную ко второму входу частотного модулятора, и систему поиска резонансной частоты, один из выходов которой соединен с генератором, управляемым по частоте, а второй - с системой авторегулировки приращения частоты, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и автоматизации измерений в него введены переключатель, генератор управляющих импульсов, линейный и квадратичный преобразователи, пять синхронных демодуляторов, одно сравнивающеедва вычитающих, два множительных и два множительноделительных устройств и источникопорного напряжения, подключенный кодному иэ входов сравнивающего устройства, выход которого соединен сизмерительным блоком, причем входлинейного преобразователя подключенк выходу системы авторегулировки приращения частоты, а вход квадратичного преобразователя - к точке соединения системы поиска резонанснойчастоты и генератора, управляемогопо частоте, к которой подключен также информационный вход первого синхронного демодулятора, информационныевходы второго и третьего синхронныхдемодуляторов соединены с выходомквадратичного, а четвертого и пятого - с выходом линейных преобразователей, управляющие входы второго ичетвертого синхронных демодуляторовподключены к одному выходу, а первого, третьего и пятого - ко второмувыходу генератора управляющих импульсов, соединенному с переключателем, один вывод которого подключенк измерительному блоку, а второйк исследуемому элементу, выходы второго и третьего синхронных демодуляторов соединены с соответствующимивходами первого вычитающего и делительными входами первого множительноделительного устройств, а также спервыми входами второго и первого множительных устройств, вторые входы которых подключены к выходам соответственно пятого и четвертого синхронных демодуляторов, а выходы - к соответствующим входам второго вычитающего устройства, выход которого соединен с делительным входом второгомножительно-делительного устройства,один из множительных входов которого подключен к выходу первого синхронного демодулятора, а второй - к выходу первого вычитающего устройства,соединенному с множительным входомпервого множительно-делительногоустройства, выход которого соединенс одним входом регистрирующего прибора, другие входы которого подключены к выходам первого синхронногодемодулятора, соединенного со вторым входом сравнивающего устройства, второго множительно-делительного устройства и источника напряжения смещения,соединенного с измерительным блоком.Источники инФормации,принятые во внимание при эксйертиэе1. Авторское свидетельство СССРР 429375, кл. С 01 В 27/26, 1972.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2402461/25/,кл. С 01 К 27/26, 1976 (прототип),писное 5 Филиал ППП "Патент ужгорОд, ул. Проектна аз 10413 61 ВНИИПИ Гос по дела 113035, МоТираж 743арственного комиизобретений и отва, Ж, Рауюск Пета СССРрытийя наб д