Устройство для измерения комплексной проводимости

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ по авт. св. 987535, отличающееся тем, что, с целью.увеличения точности измерений, в него введены четвертый синхронный детектор, четвертый усилитель постоянного тока, второй источник опорного напряжения и вторая RC-цепь, причем первый вход четвертого синхронного детектора подключен к выходу второго селективного усилителя, а второй вход подключен к второму выходу первого высокочастотного генератора, а выход четвертого синхронного детектора подключен к первому входу четвертого усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с вторым источником опорного напряжения, а выход через вторую RS -цепь соединен с вторым входом выходного блока, выполненного 5 управляемым.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СО,И Л

РЕСПУБЛИК

0% (И) 4(51) G 01 К 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЬЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ (61) 987535 (21) 3406389/24-21 (22) 11.03.82 (46) 07;01..85. Бюл. В 1 (72) В.И. Усик и С,Б. Севастьянов (71) Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола (53) 621.317.738(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N9 9875353 кл. О 01 К 27/02,30.06.82. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ но авт. св..

У 987535, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерений, в него введены четвертый синхронный детектор, четвертый усилитель постоянного тока, второй источник опорного напряжения и вторая КС-цепь, причем первый вход четвертого синхронного детектора подключен к выходу второго селективного усилителя, а второй вход подключен к второму выходу первого высокочастотного генератора, а выход четвертого синхронного детектора подключен к первому входу четвертого усилителя . постоянного тока, второй вход которого соединен с вторым источником опорного напряжения, а выход через вторую45 -цепь соединен с вторым входом выходного блока, выполненного управляемым. ®

1133563

Изобретение относится к контрольно-измерителЬной технике и может быть использовано для автоматического измерения и контроля электро- и радиотехнических компонент типа двухполюс- 5 ников, а также для измерения комплек-. сной проводимости полупроводниковых структур (ИДП, диоды, барьеры Шоттки, фотодиоды, транзисторы и др.) в зависимости от постоянного поляризую- 10 щего напряжения и частоты переменного тест-сигнала.

lIo основному авт. св. 9 987535 из,вестно устройство, содержащее высокочастотный первый генератор, первым выходом соединенный с первым входом управляющего фазовращателя, выход которого соединен с первым входом первого балансного смесителя, выход которого.через фильтр низких частот соединен с входом выходного блока, первый выход которого соединен с первым выводом измеряемого двухполюсника, второй вывод которого соединен с входом переключателя пределов, Вы- .р ходом соединенного с входом первого широкополосного усилителя, выход которого соединен с первым входом второго балансного смесителя, выход которого соединен с входом первого селективного усилителя, выходом соединенного с первыми входами первого и третьего синхронных детекторов, выходы которых соединены с входами соответственно третьего и второго усилителей постоянного тока, выходы ко- З торых подсоединены к регистраторам проводимости и емкости соответственно, первый выход выходного блока соединен также с первым выводом эталонного конденсатора, второй вывод кото40 рого соединен с первым выводом измерительного конденсатора, второй вывод которого соединен с земляной шиной, первый вывод измерительного конденсатора соединен с входом второ«45 го широкополосного усилителя,,выход которого соединен с первым входом третьего балансного смесителя, выход которого соединен с входом второго селективного усилителя, выходом соединенного с первым входом второго синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом первого усилителя постоянного тока, второй вход которого подключен к первому источни- ку опорного напряжения, а выход через первую g5 -цепь соединен с вторым входом управляемого фазовращателя, блок постоянных смещений, первый выход которого соединен с первым выводом .измеряемого образца, а второй выход подключен к внешнему регистратору напряжения, второй выход выходного блока подключен к внешнему регистратору частоты и к входу преобразователя частота †. напряжение, выход которого подключен к внешнему регистратору, второй выход первого высокочастотного генератора подключен к вторым входам первого, второго и третьего синхронных детекторов, автоматический блок управления, выход ко1 торого подключен к входу второго (перестраиваемого) высокочастотного генератора, выход которого соединен с вторым входом первого, второго и третьего балансных смесителей (1) .

Недостатком известного устройства являются погрешности ввиду неравномер ности амплитудно-частотной характеристики усилительного тракта. Дополнительные погрешности в устройстве имеют место также ввиду нестабильности амплитуды перестраиваемого высокочастотного генератора при изменении частоты.

Цель изобретения — увеличение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения комплексной проводимости введены чет вертый синхронный детектор, четвертый усилитель постоянного тока, второй источник опорного напряжения и вторая $5 -цепь, причем первый вход четвертого синхронного детектора подключен к выходу второго селективного усилителя, а второй вход подключен к второму выходу первого высокочастотного генератора, а выход четвертого синхронного детектора подключен к первому входу четвертого усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с вторым источником опорного напряжения, а выход через вторую 36 -цепь соединен с вторым входом выходного блока, выполненного управляемым.

Введение новых блоков и их связей позволяет полностью устранить погрешности, возникающие вследствие нестабильности амплитуды пересматриваемого ВЧ-генератора и выходного блока а также вследствие нелинейности .амплитудно-частотной характеристики широкополосных усилителей и ба1133563 лансных смесителей. Это позволяет повысить точность измерения устрой ства.

На чертеже приведена блок-схема устройства., 5

Устройство содержит первый высокочастотный генератор 1, управляемый фазовращатель 2, первый балансный смеситель 3, фильтр 4 низких частот, управляемый выходной блок 5, блок 6 10 постоянных смещений, автоматический блок 7 управления, второй (престраиваемый) высокочастотный генератор 8, первый широкополосный усилитель 9, второй балансный смеситель 10, пер- 15 ,вый селективный усилитель 11, первый синхронный детектор t2 третий усилитель 13 постоянного тока, третий синхронный детектор 14, второй усилитель 15 постоянного тока, вто- 20 рой широкополосный усилитель 16, третий балансный смеситель 17, второй селективный усилитель 1 8, второй синхронный детектор 19, первый усилитель 20 постоянного тока, первую 25

R5-цепь 21, преобразователь 22 частота-напряжение, измеряемый двухполюсник 23, переключатель 24 пределов, эталонный конденсатор 25, измерительный конденсатор 26, первый источник 27 опорного напряжения, четвертый синхронный. детектор 28, четвертый усилитель 29 постоянного тока, второй источник 30 опорного напряжения, вторую RG -цепь 31. Первый генератор 1 первым выходом соединен с первым входом управляемого фазовращателя 2, выход которого соединен с первым входом первого балансного смесителя 3, выход которого 40 соединен с входом фильтра 4 низких частот, выход которого соединен с входом управляемого выходного блока

5, первый выход которого соединен с первым выводом измеряемого двухполюс-45 ника 23, второй вывод которого соединен с входом переключателя 24 пределов, выход которого соединен с входом первого широкополосного усилителя 9, выход которого соединен с первым вхо-S0 дом второго балансного смесителя 10 ° выход которого соединен с.входом первого селективного усилителя 11 выходом соединенного с первыми входами первого 12 и третьего. 14 син- И хронных детекторов, выходы которых соединены с входами соответственно третьего 13 .и второго 15 усилителей постоянного тока, выходы которых подключены к внешним регистраторам проводимости и емкости соответственно; первый выход выходного блока 5 соединен также с первым выводом эталонного конденсатора 25, второй вывод которого соединен с первым выводом измерительного конденсатора 26, второй вывод которого соединен с общей шиной; первый вывод измерительного конденсатора соединен также с входом второго широкополосного усилителя 16 выход которого соединен с первым входом третьего балансного смесителя 17, выход которого соединен с входом второго селективного усилителя 18, выход которого соединен с первыми входами второго 19 и четвертого 28 синхронных детекторов, 1 выходы которых подключены.к первым входам первого 20 и четвертого 29 усилителей постоянного тока, к вторым входам которых подключены выходы соответственно первого 27 и второго

30 источников опорного напряжения; выход первого усилителя 20 постоянного тока через первую 15 -цепь 21 подключен к второму входу управляемого фазовращателя 2, а выход четвертого усилителя 29 постоянного тока через вторую RG -цепь 31 подключен к второму входу выходного блока 5. Блок 6 постоянных смещений, первый выход которого соединен с первым выходом выходного блока 5, вторым выходом подключен к внешнему регистратору напряжения; второй выход выходного блока 5 подключен к внешнему регистратору частоты и к входу преобразователя 22 частота — напряжение, выход которого подключен к внешнему регистратору; второй выход первого ВЧгенератора 1 подключен к вторым входам первого 12, второго 19, третьего

24 и четвертого 28 синхронных детекторов, вход второго (перестраиваемого) ВЧ-генератора 8 подключен к выходу автоматического блока 7 управления, а выход подключен к вторым входам первого 3, второго 10 и третьего

17 балансных смесителей.

Устройство работает следующим образом.

ВЧ-сигнал от ВЧ-генератора 1 с частотой Я поступает через управляемый фазовращатель 2 на вход балансного смесителя 3, на второй эхо,:, которого поступает ВЧ-сигнал от перестра1133563 иваемого ВЧ генератора 0, частота которого может автоматически изменяться от значения Q до Q >. После смешивания в балансном смесителе 3 и прохождения через фильтр низких частот 5

4 на входе выходного блока 5 появляется сигнал, частота которого равная и может автоматически изменяться от

Qg = 2 A до ив 73 < ° . TaKHN o разом ° на выходе выходного блока 5 в точке А появляется напряжение

04е е 4, где "4 — амплитуда переменного сигнала, которая может регулироваться в выходном блоке 5; < 4 фаза этого сигнала, которая может регулироваться в управляемом фазовращателе 2. Далее к гочке А подключены два структурно-идентичных канала, один.из которых является непосредственно измерительным, а второй исполь- О зуется в цепях автоподстройки амплитуды и автоподстройки фазы. Таким образом, сигнал с выхода выходного блока 5 поступает на эталонный, сонденсатор 25 (С ) с бопьшой добротностью, при этом на измерительном конденсаторе 26 (С„ „) выделяется напряжение, пропорциональное току, текущему через конденсатор 25 (С т ), так что напряжение, присутствующее ЗО на входе широкополосного усилителя

16 в точке В, равно л Ы i@4 Сэт

0 =.04Е Е

С выхода широкополосного усилителя

16 усиленный сигнал с частотой я„<Ис(впоступает на вход балансного смесителя 17, на второй вход которого от перестраиваемого ВЧ-генератора 8 поступает напряжение постоянной 40 амплитуды с частотой от Q до Q .Сигналы этих частот смешиваются в балансном смесителе 17 и поступают на вход селективного усилителя 18, где происходит выделение частоты g (g = 4

2 ь в

Таким образом, на выходе селективного усилителя 18 появляется напряжение с частотой Я, равное

in< <(p„cý,ò iraq(u}

UAe е — А(ы}в

Сиэм

C9r ;qA где U4 He " — cooTBeTCTBeHHQ ИЪМ амплитуда и фаза сигнала на входе широкополосного, усилителя 16; множители A(Q) и Е определяют ам4 Сы) плитудно-частотную и фазочастотную

l характеристики трактов усиления и преобразования частоты. Это напряжение поступает на входы синхронных детекторов 19 и 28, на вторые входы которых поступает опорное напряжение от ВЧ-генератора 1 с частотой Я . Синхронный детектор 19 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется постоянное напряжение, пропорциональное

"„" "7} C +i" (V4 > <4(>l)

ММ

Это постоянное напряжение поступает на усилитель 20 постоянного тока, rpe сравнивается с опорньвч напряжением от источника 27 опорного напряжения, усиливается и через 86 -цепь

21 подводится к второму входу управляемого фазовращателя 2, замыкая цепь отрицательной обратной связи автоподстройки фазы. Эта связь работает таким образом, что напряжение на выходе синхронного детектора 19 поддерживается равным нулю, т.е. выполняется условие

БЮ(Ср4 ЪЩЩ =О.илиС 4 ВСу(Ы} =О, (1) так что набег фазы в усилительных трактах aq (И) при изменении частоты сигнала автоматически компенсируется изменением фазы в точке А. Синхронный детектор 28 настроен на активную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется постоянное напряжение, пропорциональное

Сэт

-U4hhl — coo (q 4 a(all вам или, учитывая (1), Сэт О Ц<4

СЩМ

Это постоянное напряжение поступает на усилитель 29 постоянного тока, где сравнивается с опорным напряжением от источника 30, усиливается и черезов .7 -цепь 31 подводится к второму входу управляемого выходного блока S, замыкая цепь отрицательной обратной связи автоподстройки амплитуды. Эта связь работает таким образом, что напряжение на выходе синхронного детектора 28 поддерживается равным опорному напряжению источника 30 с точностью лучше 1Х

1133563 7 ц(g) Сэт и м постосин5

U 1 (u)=const

30 или, учитывая, что С,. и С„ м — янные величины, имеем на выходе хронного детектора 28 Iàêèì образом, нелинейность АЧХ усилительных и частотнопреобразова-, тельных блоков, а также нестабиль-..... ность амплитуды сигнала от перестра-. иваемого ВЧ-генератора 8 автоматичес" ки компенсируется изменением амплиту- l5 ды тест-сигнала в точке А.

Одновременно сигнал с выхода выходного блока 5 поступает на измеряемый двухполюсник 23, при этом на измерительном конденсаторе 26 (С„ ц), 20 который.в зависимости от требуемой точности и диапазона измерений выбирается переключателем 24 пределов, возникает напряжение, пропорциональное току, текущему через образец, 25 так что напряжение, присутствующее на входе широкополосного усилителя

9 в точке С, равно я Мд 1 I G3

0,-0„е е с с" Р) 14

С выхода широкополосного усилителя 9 усиленный сигнал с частотой (д„сЫс М поступает на вход балансного смесите-. ля 10, на второй вход которого от перестраиваемого ВЧ-генератора 8 поступает напряжение постоянной амплитуды с частотой от g po Q . Сигналы этих частот смешиваются в балансном смесителе 10 и поступают на вход се- 40 лективного усилителя 11, где происходит выделение частоты g (g=Q »»cd„=

=9 -Q>)..Таким образом, на выходе селективного усилителя 11 появляется напряжение с частотой Я, равное . 45 д0 e — С„-i ") д(„)e " "1

Ч4 x(<Ь (ы с,„1» — „,) "е

Это напряжение поступает на синхронные детекторы 12 и 14 и далее через усилители 13 и 15 постоянного тока на внешние регистраторы. На вторые . входы синхронных детекторов 12 и 14 поступает опорное напряжение от ВЧгенератора 1 с частотой 0 . Синхронный детектор 12 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе присутствует постоянное напряжение, равное „ци1(с„«(«i (ll- "«»in ° «4I) Синхронный детектор 14 настроен на активную компоненту сигнала, так что на его выходе имеем постоянное напряжение, равное:

LI,RIu1(c„«osIwa+aMI )l — ««I<«« I4l).

4»

Так как каналы, содержащие усилитель 9, смеситель 10, усилитель 11 и усилитель 16, смеситель 17, усилитель 18, выполнены идентичными и, учитывая выполнение условий (1) и (2), при изменении частоты переменного тест-сигнала имеем на выходе синхронного детектора 12, согласно (3), сигнал, пропорциональный „ /ю, а на выходе синхронного детектора 14, согласно (4), сигнал, пропорциональный С, которые через усилители 13 и 15 постоянного тока поступают на внеыние регистрирующие блоки.

С выхода выходного блока 5 сигнал поступает на вход преобразователя 22 частота — напряжение, где происходит логарифмическое преобразование частоты (8< †(а в напряжение, которое далее подается на один из входов двухкоординатного самописца для записи зависимостей » /u-8п(со или Gx -Ь(и1.

Одновременно на выходе 1 происходит цифровая индикация частоты, подаваI емой на исследуемый образец.

С выхода автоматического блока 7 управления на вход (перестраиваемого

ВЧ-генератора 8 поступает постоянное или пилообразное напряжение для электронной перестройки частоты генератора. В первом случае снимаются

6 /И-»1и С -0 зависимости при фиксированной частоте, но втором случае (jx/ß-Q и С - зависимости при фиксированном поляризующем напряжении.

С выхода блока Ь постоянных смещений на,двухполюсник 23 поступает постоянное поляризующее напряжение, которое также может изменяться пилообразно для записи соответствующих зависимостей С „ /ы- Мили С„. — 0. Одновременно на выходе 0 может подключаться

Составитель В. Стукан

Техред Л.Микеш Корректор О. Луговая

Редактор В. Петраш

Зказ 9946/38

Тираж 748 Подписное, BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал П1Ш "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 11 внешний цифровой вольтметр для точного измерения напряжения.

По сравнению с известным предлагаемое устройство для измерения и. регистрации С вЂ  обеспечивает возможность измерения на любой частоте в диапазоне 0,3-.400 кГц, возможность вести частотнозависимые измерения в автоматическом режиме с временем пе33563 10 рестройки по частоте от 10 до 300 с при той же точности измерений.

Использование предлагаемого устройства для исследовательских целей дает возможность регистрировать новые процессы, которые ввиду малых постоянных времени не могут быть зарегистрированы на измерительных устройст-" вах с ручной перестройкой частоты.