Измеритель добротности варикапов

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ ВАРИКАПОВ, содержащий генератор, усилитель , линейный детектору первый и второй постоянные конденсаторы, первый и второй развязывающие элементы, третий развязывающий элемент, соединенный первым выводом с вьиЛэдом первого развязывающего элемента, вторым выводом - с первым выводом первого постоянного конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены регулируемый усилитель, усилитель постоянного тока, переменный резистор, переменный конденсатор, резистор, источник опорного напряжения , трансформатор, нуль-орган, первый и второй синхронные детекторы, причем первый выход генератора соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, второй выход - с первыгвходом регулируемого усилителя, соединенного первым выходом через линейный детектор с первой выходной клеммой устройства, вторым выходом через первичную обмотку трансформатора - с общей шиной устройства , первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен через переменный конденсатор с первым выводом второго постоянного конденсатора, с входом усилителя и с первой клеммой для подключения контролируемого варикапа , вторая клем1.1а для подключения которого соединена с второй выходной клеммой устройства, с первым выво- . дом первого постоянного конденсатора, соединенного вторым выводом с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора , третий вывод которого соединен с общей шиной устройства, с которой соединены второй вывод первого постоянного конденсатора и первый вывод резисторау соединенного вторым (Л выводом с входом усилителя, первый выход которого соединен с вторым входом первого синхронного детектора , соединенного выходом через нульорган с входом первого развязывающего элемента, непосредственно - с третьей ВЫХОДНОЙ клеммой устройства, четвертая выходная клемма которого соединена с первым выводом переменного резистора, соединенного вторым выводом с выходом источника опорного ел напряжения, третьим выводом - с общей шиной устройства, первым выводом - с 4 первым входом усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен О) с выходом второго синхронного де тексо тора, выход через вторюй развязываиощий элемент - с вторым входом регулируемого усилителя, ротор переменного конденсатора соединен механически с первым выводом переменного резистора .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3<5п G 01 R 31/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3455696/18-21 (22) 16.06.82 (46) 30.10.83. Бюл. Р 40 (72) В.И.Усик, С.Б.Севастьянов и П.П.Добровольский (71) Новосибирский государственный университет им.Ленинского комсомола (53) 621. 382. 2 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 651275, кл. G 01 R 31/26, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 651272, кл, G 01 R 27/26, 1979 (прототип). (54 ) (5 7) ИЗМЕРИТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ

ВАРИКАПОВ, содержащий генератор, усилитель, линейный детектор, первый и второй постоянные конденсаторы, первый и второй разнязывающие элементы, третий развязывающий элемент, соединенный первым выводом с вью одом первого раэвяэынающего элемента, вторым выводом — с первым выводом первого постоянного конденсатора, о т л ич а ю шийся те л, что, с целью повышения точности измерений, в него введены регулируемый усилитель, усилитель постоянного тока, переменный резистор, переменный конденсатор, резистор, источник опорного напряжения, трансформатор, нуль-орган, первый и второй синхронные детекторы, причем первый выход генератора соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, второй выход — с первым входом регулируемого усилителя, соединенного первым выходом через линейный детектор с первой выходной клеммой устройства, вторым выходом через первичную обмотку тран„,З0„„1 514 А сформатора — с общей шиной устройства, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен через пере- менный конденсатор с первым выводом второго постоянного конденсатора, с входом усилителя и с первой клеммой для подключения контролируемого варикапа, вторая клемма для подключени которого соединена с второй выходной клеммой устррйства, с первым выводом первого постоянного конденсатора соединенного вторым выводом с вторым выводом вторичной обмотки трансфор латора, третий вывод которого соединен с общей шиной устройства, с кото рой соединены второй вывод первого постоянного конденсатора и первый вывод резистора соединенного вторым выводом с входом усилителя, первый выход которого соединен с вторым входом первого синхронного детектора, соединенного выходом через нульорган с входом первого развязынающего элемента, непосредственно — с третьей выходной клеммой устройства, четвертая выходная клемма которого соединена с первым выводом переменного резистора, соединейного вторым выводом с выходом источника опорного напряжения, третьим выводом — с обще шиной устройства, первым выводом — с первым входом усилителя постоянного тока, нторой нход которого соединен с выходам нторого синхронного детектора, выход через второй развязывающий элемент — с вторым входом регули

pyeuoro усилителя, ротор переменного конденсатора соединен механически с первым выводом переменного резистора.

1051469

Изобретение относится к контроль= но-измерительной технике и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов для измерЕния добротности варикапов, а также р-ф-переходов, барьеров Шотки, МДП-структур и других нелинейных элементов, Известно устройство дпя контроля параметров варикапа, содержащее управляемый преобразователь, регулиру- 10 ющий блок, источник опорного напряжения, блок управления, блок сравнения блок регистрации, коммутатор, источ« ник смещения, генератор, емкости, резисторы и клемм для подключения 15 испытуемого варикапа )13 . данное устройство позволяет измерять емкость и коэффициент перекрытия варикапа, однако не измеряет его добротности, т.е..имеет ограни- 20 ченные функциональные возможности.

Наиболее близким к предлагаемому является измеритель добротности варикапов, содержащий генератор, усилитель, блок выделения экстремума, выполняющий функции линейного детектора, первый и второй постоянные конденсаторы, первый и второй развяэывающие элементы, третий развязывающий элемент, соединенный первым выводом с выходом первого развяэывающего элемента, а вторым выводом — c первым выводом первого постоянного конденсатора (2) .

И з ве ст ное у строй ст во поз воляе т автоматически измерять добротность варикапов, однако обладает рядом недостатков, уменьшающих точность измерений.

Наличие в колебательном контуре двух варикапов - испытуемого и эталон-40 ного — приводит к тому, что сигнал на входе измерительного контура в мо» менr резонанса зависит от добротности обоих варикапов. Для того, чтобы выделить сигнал, пропорциональный добротности испытуемого варикапа, в из.-. меритель добротности введено вычислительное устройство и еще один эталон ный варикап. Напряжение на выходе вычислительного устройства зависит от напряжения 0, пропорционального напряжению резонанса в контуре, напряжения Uq соответствующего емкости контура в момент резонанса, напряжения fig пропорционального емкости эталонного варикапа в момент .резонанса в контуре, и от добротности эталонного варикапа. Напряжения 0 и Hg вводимые на входы вычислительногО устройства, зависят .от стабильности амплитуцы и частоты. кроме то- 60 го„ величина напряжения U зависит от стабильности коэффициента усиления усилителя и точности устройства выде-; ления экстремума, а величина напряжения ОЭ - от точности преобраэова- 65 ния емкости эталонного варикапа, не стоящего в измерительном контуре, в напряжение и точности выделения максимального напряжения измерительным блоком. Величина напряжения IJ зависит от стабильности частоты и амплитуды генератора высокой частоты.

Так как вольтфарадная зависимость эталонного варикапа, стоящего в контуре, заменяется зависимостью другого варикапа, то точность измерения добротности всегда ниже, чем точность, с которой подобраны вольтфарадные зависимости двух варикапов °

Собственная погрешность вычислительного устройства также вносит дополнительный вклад в ошибку измерений. цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается темр что в измеритель добротности варикапов, содержащий генератор, усилитель, линейный детектор, первый и второй постоянные конденсаторы, первый .и второй развяэывающие элементы, третий раэвяэывающий элейент, соеди ненный первым выводом с выходом первого развязывающего элемента, вторым выводом — с первым выводом первого постоянного конденсатора, введены регулируемый усилитель, усилитель постоянного тока, переменный резистор, переменный конденсатор, резистор, источник опорного напряжения, трансформатор, нуль-орган, первый и второй синхронные детекторы, причем первый выход генератора соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, второй выходс первым входом регулируемого усилителя, соединенного первым выходом через линейный детектор с первой выходной клеммой устройства, вторым выходом через первичную обмотку трансформатора — с общей шиной устройства, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен через переменный конденсатор с первым выводом второго постоянного конденсатора, с входом усилителя и с первой клеммой для подключения контролируемого варикапа, вторая клемма для подключения которого соединена с второй выходной клеммой устройства, с первым .выводом первого постоянного конденсатора, соединенного вторым выводом с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, третий вывод которого соединен с общей шиной устройства, с которой соединены второй вывод первого постоянного конденсатора и первый вывод резистора, соединенного вторым выводом с входом усилителя, первый выход ,которого соединен с вторым входом первого синхронного детектора, соединенного выходом через нуль-орган с входом первого развязывающего элемента, непосредственно — с третьей

1051469 выходной клеммой устройства, четвер тая выходная клемма которого соедине на с первым выводом переменного резистора, соединенного вторым выводом с ныходом источника опорного напряжения, третьим выводом - с общей шиной устройства, первым выводом - с первым входом усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с выходом второго синхронного детектора, выход через второй развязываю- 10 щий элемент — с вторым входом регулируемого усилителя, ротор переменного конденсатора соединен механически с первым выводом переменного резистора.

На чертеже приведена блок-схема 15 предлагаемого измерителя.

Изглеритель добротности варикапов содержит генератор 1,.усилитель 2, линейный детектор 3, первый 4 и второй 5 постоянные конденсаторы, первый20

6 и второй 7 развязывающие элементы, например RC -фильтры, третий развязывающий элемент 8, например резистор, соединенный первым выводом с выходом первого развязывающего элемента 6, а вторым выводом — с первым выводом первого постоянного конденсатора 4. Первый выход генератора 1 соединен с первыми входами первого 9 и второго 10 синхронных детекторов, второй выход — с первым входом регу- Зо лируеглого усилителя 11, соединенного первым выходом через линейный детектор 3 с первой выходной клеммой устройства, а вторым ныходом через первичную обмотку трансформатора -"2 — З- с общей шиной устройства. Первый выход вторичной обмотки трансформатора

12 соединен через переменный конденсатор 13 с первым выводом второго постоянного конденсатора 5, с входом 40 усилителя 2 и с первой клеммой для подключения контролируемого варикапа

14, вторая клемма для подключения которого соединена с второй выходной клеммой устройства, с первым выводом 4 первого постоянного конденсатора 4, соединенного вторым ныводом с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 12, третий вывод которой соеди нен с общей шиной устройства, с которой соединен второй вывод второго постоянного конденсатора 5 и первый вынод резистора 15, соединенного вторыгл выводом с нходом усилителя 2.

Первый выход усилителя 2 соединен с вторыгл входом первого синхронного детектора 9, соединенного выходом через нуль-орган 16 с входом первого развязывающего элемента 6, непосредственно — с третьей выходной клеммой .устройства, четвертая выходная клем- 60 ма которого соединена с первым вынодом переменного резистора 17, соединенного вторым выводом с выходом источника 18 опорного напряжения, третьим выводом — с общей шиной уст- 65 гройстна а первым выводом — с дверным входом усилителя 19 постоянного тока, второй вход усилителя 16 соединен с выходом второго синхронного детектора

10, а выход через второй развязывающий элемент 7 — с вторым входом регулируе-. мого усилителя 11.

Ротор переменного конденсатора 13 соединен механически с первым выводом перегленного резистора 17.

Трансформатор 12 и конденсаторы 4 и 13 образуют измерительный мост 20 °

Развязывающие элементы 6 и 7 выполнены в виде RС -фильтров, а развязывающий элемент 8 является резистором.

Работа измерителя основана на известном способе определения добротности нелинейных элементов при помощи измерения емкости и проводимости мостовым методом.

Данный способ характеризуется большой точностью измерения емкости и проводимости в широком диапазоне частот. При этом используется эквива. лентная параллельная схема замещения активной и реактивной составляющих нелинейных элементон, в соответствии с которой добротность Q связана с параллельными емкостью С и проводимостью 6 соотношением

С а=;

I. где G) - угловая частота.

Эквивалентная схема варикапа представляет собой параллельно соединенные емкость С и сопротивление R включенные последовательно с сонро" тивлением объегла полупроводника Г причем г /R (< 4 . Ha низких частотах (M), когда G3 с< $/C Pv+ указанная эквивалентная схема переходит в двухзлементную параллельную схему, при этом эквивалентные емкость Сн и проводимость л э равны С = Сэ, Я=1 "лэ

На высоких частотах, когда у ъъ 4/

/СЕ и йее, оеа такие переходит е двухэлементную схему, но последовательную (C и t+), при этом эквивалентные параллельные емкость и про водиглость равны соответственно С

=С/1+ Q игла $ /г<(g Q ) . Если

10 (это условие выполняется для варикапон вплоть до частот 100 МГц), то С С, с точностью лучше 1В. В районе частоты д = 4/С, г,где надо использонать полную трехэлементную схему, добротность варикапа максимальна и в этом случае также СЗС с большой точностью. Таким образом, пользуясь параллельной схемой замещения, можно с большой точностью измерять не только добротность, но и емкость нарикапа С как равную измеряемой емкости С в диапазоне от низких частот до частот -600 МГс.

Синусоидальный сигнал c частотой с второго выхода генератора 1 по1051469 ступает на первый вход регулируемого усилителя 11, с второго выхода кото . рога поступает на измерительный мост.

20. Обозначим амплитуду сигнала на выходе регулируемого усилителя 11 через Uper . Пропорциональная часть этого сигнала, пройдя через кондея-! ,сатор 13, включенный в одно плечо моста 20, и через испытуемый варикап.

14, выделяется в виде сигнала раэбаланса на емкостной нагрузке — конденсаторе 5, имеющем емкость Cll,причем реактивное сопротивление конденсатора 5 выбрано значительно меньшим сопротивления резистора 15, который служит для замыкания цепи смещения 5 варикапа 14 по постоянному току. Далее cHгнал усиливается с помощью усилителя 2 с большим входным импедансом, затем с помощью синхронного детектора 9 выделяется емкостная сос-эО тавляющая сигнала раэбаланса. Постоянное напряжение 0„., вырабатываемое синхронным детектором 9, поступает на нуль-орган 16 и через развязывающие элементы 6 и 8 изменяет емкость варикапа 14 таким образом, чтобы сиг. нал П на выходе синхронного детектора 9 был равен нулю. Условие U =0 означает, что мост 20 сбалансирован по емкости и эталонная -емкость конденсатора 13 (С 9T) райна эквивалент. ной емкости (Cj варикапа 14, т.е.

ЭТ (2)

Амплитуда переменного сигнала, поступающего на варикап 14, выбирается достаточно малой, чтобы измере-. ния велись в линейном режиме. Активная несбалансированная часть сигнала выделяется синхронным детектором 10 и появляется на его выходе в виде по-40 стоянного напряжения Ug . Вследствие малости амплитуды переменного сигнала на варикапе при условии « са СН (достаточно взять Я 0,010

С Н напряжение Оp пропорционально проводимости варикапа 5 а также

Uрег и емкостному нагрузочному сопротивлению 1 / сй С Н, т. е .

0 =1 „г 0

50 где A - константа.

Напряжение Uq поступает на первый вход усилителя 19 постоянного тока, на второй вход которого поступает с источника 18 опорное напряжение 0, пропорциональное эталонной емкости, т.е. 0 = ц(Сд Uo где

Llz = СОИМ - напряжение источника 18

Ж - коэффициент пропорциональности.

1>аэностный сигнал усиливается усили- 60 телем 19 и через развяэывающий элемент 7 поступает на вход регулируе- мого усилителя 11, изменяя его усиление и соответствейно Брег так, чтобы lie поддерживалось равным у опорному напряжению Ц, с высокой точностью, т.е.

О, = И= С„ОО.

Подставляя (4) в (3 j и учитывая (1) и (2 2 получим о О<,С,иСз, 8иС р г е — ОО

Ойдо С l4 где 8= — - =conet.

Напряжение Oped с второго вхоца регулируемого усилителя 11 поступает на вход линейного детектора 3, затем выпрямленное напряжение, пропорциональное брег, а следовательно, и добротности Q поступает на выход устройства. Одновременно регистрируется напряжение на подвижном контакте резистора 17, пропорциональное емкости варикапа 14, напряжение смещения варикапа 14 после развязывающего резистора 8 и напряжение на выходе синхронного детектора 9 с целью контроля работы обратной связи.

Для получения сигнала g< как можно большим надо уменьшить емкость конденсатора 5 (С ), не нарушая условия - 0,01 у С Так как приборы регистрируют С> и Q это условие лучше записать следующим образом

С н > 100 С /Q.

Калибровку предлагаемого измерителя можно проводить как по эталонным пассивным цепочкам, состоящим из параллельно включенных емкости и сопротивления, так и по эталонному варикапу с параметрами, измеренными заранее, Таким образом, в предлагаемом измерителе за счет введения отрицательных обратных связей устраняется влияние на точность измерений как нестабильности амплитуды генератора 1, так и нестабильности коэффициента усиления усилителей 2, 11 и 19. K стабильности частоты генератора 1 в измерителе также не предъявляется каких-либо специальных требований.

В измерителе добротности сигнал, пропорциональный добротности, получается непосредственно без каких-либо вычислений, что устраняет ошибки, возникающие при использовании вычислительного устройства.

В отличие от известного в предлагаемом измерителе не используктся эталонные варикапы, которые из-за неидентичности вольтфарадных характеристик и неидеальности (они имеют добротность того же порядка, что и добротность измеряемых объектов) вносят дополнительные погрешности измерения. В результате совместного действия укаэанных факторов точность измерения,добротности варикапа существенно возрастает.

1051469

Составитель B.Äâîðêèí

Редактор М.Рачкулинец Техред М.Тепер

Заказ 8659/45 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

1(орректор И.Эрдейи

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная, 4