Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М. Кл. 6 01 К 17/06 Гоеудеретвеве комнтет СССР по делам нзебретеннй н открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕРЕЗОНАНСНЫХ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВИзобретение относится к электроизме рительной технике и может быть использовано для измерения параметров попупроводниковых структур и тонких пленок при производстве попупроводниковых приборов, во влагометрии, биологии и других областях науки и техники, где объект контроля можно представить в виде трехэлемент ного двухполюсника.Известна измерительная цепь преобра 10 эователя параметров трехэлементных двухпопюсников в активные величины, содержащая источник двух напряжений различных частот, подключенные к нему ветвь с исследуемым трехэлементным двухпо 1 люсником и ветвь образцовых величин, содержащую три звена направленного действия с регулируемыми коэффициентами передачи, и узел суммирования выходных величин ветвей, причем ветвь образцовых величин содержит звено с коэффициентом передачи, совпадающим по величине фазового угла с отношением парамет. ров двухэлементной части двухпопюсника,охваченное отрицательной обратной связьюс постоянным коэффициентом передачи исоединенное последовательно со звеном,коэффициент передачи которого совпадаетпо величине фазового сдвига с иммитансом одного из элементов двухэлементнойчасти двухполюсника, а параллельно этимзвеньям включено звено с коэффициентом передачи, совпадающим по величинефазового угла с иммитансом третьегоэлемента 1 1,К недостаткам измерительной цепипреобразователя параметров трехэлементных двухполосников относится низкая точность измерения параметров двухполюсника при очень высокой точности уравновешивания измерительной цепи. Это происходит по той причине, что, не зная заранеепараметров двухполюсника ипи его характеристик, невозможно оптимально выбратьзначения дискретных частот, питающих измерительную цепь, при которых погрешность измерения минимальна. К недостаткам цепи относятся также сложности про 894577цесса уравновешивания измерительной цепи, и как следствие этого - низкое быстродействие. Измерительная цепь неуниверсальна, т,е. для каждого нового видатрехэлементного двухполюсника необходимо ее составлять заново, что затрудняетее широкое использование,Известен также преобразователь параметров пассивных нерезонансных двухполюсников, который содержит источник питания, соединенный с трансформаторомтока, два усилителя, в обратной связи одного из которых включен образцовый элемент, а выход и вход другого усилителясоединены с клеммами для подключения 15исследуемого двухполюсника; управляемый делитель напряжения и дополнительный образцовый элемент, конденсатор,сумматор, два измерителя отношения напряженйй и фазочувствительный индикатор,причем истОчник питания связан с сумматором и через последовательно соединенные первичную обмотку трансформаторатока и конденсатор - со входом усилителя, подключенного к сумматору, выходомсвязанного со входами последовательносоединенных фазочувствительного индикатора, управляемого делителя напряженияи двух измерителей отношения напряжений, один из которых связан с фазочувствительным индикатором, вход второгоусилителя одновременно подключен ко вторичной обмотке трансформатора тока, второй конец которой заземлен и через дополнительный образцовый элемент соединен35с выходом управляемого делителя напряжения и входом одного из измерителейотношения напряжений, а выход второгоусилителя связан одновременно со вторыми входами фазочувствительного индика -40тора и другого измерителя отношения напряжений 2 . К недостаткам преобразователя параметров пассивных нерезонансных двухполюсников оносится то, что в контроли 45 руемом двухполюснике измеряются параметры двух элементов только при наличии известного номинала третьего элемента. Преобразователь имеет низкую точность, так как частота питания измерительной цепи выбирается произвольно, вследствие чего на определенных частотах характеристики двухполюсника определяются, например, практически только параметрами одного из элементов схе мы замещения, а также измерение параметров ряда элементов происходит прямым методом преобразования, Преобразователь также неуниверсален в смыслеизмерения параметров различных видовтрехэлементных двухполюсников,Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения параметров нерезонансных пассивных.трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения изменяющиеся частоты,к которому подключен преобразователькомплексного сопротивления (комплекснойпроводимости) исследуемого двухполюсника в активный сигнал, формирователь компенсирующего сигнала, причем выходыпреобразователя и формирователя соединены со входами вычитаюшего устройства,выход вычитаюшего блока соединен совходом указателя максимума реактивнойсоставляющей, блок умножения и деленияна частоту указатель равенства активной иреактивной составляющей,три отсчетныхприбора, фазочувствительный детектор 31.Измерение параметров трехэлементныхдвухполюсников в описанном устройствеосновано на сочетании методов уравновешивания и прямого преобразования, поэтому два параметра двухпопюсника, которые измеряются методом прямого преобразования, измеряются с низкой точностью. Низкая точность измер ния этихпараметров обуславливается еше и тем,что их измеряют на неблагоприятной частоте в смысле точности. Это такая частота, где измеряемые параметры маповлияют на,частотную характеристику двухполксника, Устройство обладает малымифункциональными возможностями: присмене одного вида контролируемого двухполюсника на другой необходимо заменятьцелый ряд узлов устройства,Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников, содержащее источник напряжения изменяюшейся частоты, преобразователь комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал, формирователь компенсирующего сигнала, вычитаюший блок и три отсчетных прибора, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен со входами преобразователя комплексного сопротивления исследуемого двухпопюсника и формирователя компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитаюшего блока, при этом5 8945 упомянутый преобразовате и содержит усилитель, во входную цепь которого включен образцовый элемент, а в обратную связь- исследуемый двухполюсник, введены час тотомер, фазометр усилитель с управля емым коэффициентом передачи, ключ, программно-вычислительный блок, блок уравновешивания и указатель экс 1 ремальных фазовых значений, причем выход преобразователя комплексного сопротивления ис Ф следуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фазометра и со входом усилителя с управляемым коэффициентом передачи, а выход послед - него - со вторым входом вычитающегоблока, второй вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формирователя комплексирующего сигнала, при этом выход фазометра соединен с программно-вычислительным блоком и со 20 входом указателя экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управляющими входами частотомера и источника напряжения изменяющейся часто" ты, выход вычитающего блока через блок 25 уравновешивания соединен с программно- вычислительным блоком и усилителем с управляемым коэффициентом передачи, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен через частотомер с Зр программно-вычислительным блоком, а последний - с двумя регулирующими органами формирователя компенсирующего сигнала и тремя отсчетными приборами,Наличие в устройстве фазометра, ука- р . зателя экстремальных фазовых значений, частотомера и их связи обеспечивают достижение одновременно двух условий первое частота питания измерительной цепи приводится в область максимального 46 наклона амплитудно-частотной характерйстики двухполюсника, что обеспечивает достижение необходимой точности измерения; второе - значение измеренной частоты дает возможность установки регулирующих органов формирователя компенсирующего сигнала в положение, удобное для приведения измерительной цепи в по.- ложение равновесия, Наличие в устройстве фазометра и усилителя с регулируемым коэффициентом передачи и их связи обеспечивают раздельное уравновешивание измерительной цепи как по фазе, так и по амплитуде сигналов на всех частотах, В результате все три измеренных параметра для определения номиналов элементов схемы двухполюсника определяются методом уравновешивания, что повышает точность предлагаемого устройства по срав 77 4 нению с известным; Наличие в устройстве формирователя компенсирующего сиг 1нала, состоящего из звена с регулируемым полюсом и нулем коэффициента передачи, позволяет с одинаково высокойточностью измерять параметры двухполюоников разных видов и состоящих из элементов разных чоминалов. Это осушесчвляется за счет того, что каким бы нибыл контролируемый двухлолюсник, полюси нуль его передаточной фуняки располагаются всегда определенным образом и имеют одну размерность, На фиг, 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схемы нерезонансный трехэ цементных двухполюсников,Устройство для измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюоников содержит источник 1 напряжения изменяющейся частоты, преобразователь 2 комплексного сопротивления исследуемого двухполюсника в активный сигнал, в обратной связи которого включен контролируемый двухполюсник 3, а во входной цепи - образцовый элемент 4, формирователь 5 компенсирующего сигнала, в обратной связи которого включен образцовый конденсатор 6 и цифроуправляемыйрезистор 7, а во входной цепи подобнымже образом включены образцовый конденсатор 8 и цифроуправляемый резистор 9,фазометр 10, один вход которого соединен с преобразователем 2, а второй - с ключем 11, имеющим контакты 12 и 13,выход фазометра соединен с указателем 14 экстремальных фазовых значений и с программно-вычислительным блоком 15,Выход преобразователя 2 через усилитель16 с управляемым коэффициентом передачи соединен с одним из входов вычитаю щего блока 17. Выход вычитаюшего блока 17 подключен через блок 18 уравновешивания к блоку 15 и управляющему входу усилителя 16. Выход указателя 14соединен со входом частотомера 19 и с управляющим входом источника 1 напряжения изменяющейся частоты. Выход блока15 соединен с тремя отсчетными приборами 20, 21 и 22,Устройство работает следующим обра-,зом. Перед началом измерения ключ 11 за мыкает контакт 13, На выходе источника 1 напряжения изменяется частота гармонического сигнала до достижения максимального значения фазы на выходе фазометра 10. Экстремальное значение фазы фиксируется указателем 14, который ос 894577вход фазометра соединен через ключ совходом и выходом формирователя компенсирующего сигнала, при этом выход фазометра соединен с программно-вычислительным блоком и со входом указателя экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управляющими входами частотомера н источника напряженияизменяющейся частоты, выход вычитаюшего блока через блок уравновешиваниясоединен с программно-вычислительнымблоком и усилителем с управляемым коэффициентом передачи, выход источника напряжения изменяющейся частоты соединен через частотомер с программно-вычислительным блоком, а последний - с двумя регулирующими органами формирователя компенсирующего сигнала и с тремя отсчетными приборами. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР444115, кл, О 01 В 17/06, 1972. 2. Авторское свидетельство СССР519646, кл, З 01 В 27/00, 1974,3, Авторское свидетельство СССР234508, кп. З 01 В 31/26, 1966894577 2 Ф(С Составитель В, Семенчукихеева Техред Т.Маточка Корректор С, Шомак Редакто 11478/7 Тираж 735ИИПИ Государственногпо делам изобретений35, Москва, Ж, Ра Подписноекомитета СССРоткрытийушская наб., д. 4/5 лиал ППП фПатентф, г, Ужгород, ул, Проектная