Способ определения динамических параметров активных четырехполюсников и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано для косвенного измерения динамических параметров активных четырехполюсников (АЧП), характеризующих их усилительные и частотные свойства. Цель изобретения - повышение точности и производительности измерения - достигается в результате использования потенциально высокой чувствительности характеристик автогенераторов на границе устойчивости генерации. Способ осуществляют путем мягкого возбуждения колебаний с минимальной частотой fMniH и регулировки потерь в колебательной системе до значения, равного обратной величине крутизны динамической характеристики АЧП, взятой с обратным знаком. Затем возбуждают колебания с максимальной частотой fMaKc Выходную емкость АЧП определяют как произведение квадрата отношения Гмин и Гмакс на емкость конденсатора колебательной системы. Для регулировки потерь в устройство введены последовательно соединенные разделительный конденсатор 14 и регулируемый резистор 15, а также контактор 5 и омметр 4. Для обеспечения работоспособности АЧП используются первый 6 и второй 7 регулируемые источники напряжения смещения. Кроме того, устройство содержит калиброванные конденсатор 9, катушку 8 индуктивности и катушку 10 индуктивной обратной связи. Измерение параметров производится через буферный каскад 1 измерителем 2 амплитуды колебаний и частотомером 3. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. fe Os N Ю Јь Ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s G 01 R 27/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

8иг, 7 (21) 4626237/21 (22) 26.12.88 (46) 15.04.91. Бюл, N 14 (71) Харьковский институт радиоэлектроники им. акад; M.Ê. Янгеля (72) Л,И. Биберман (53) 621.317.75(088.8) (56) Транзисторы. Параметры, методы измерений и испытаний/Под ред, И.Г. Бергольсона и др. M,: Сов. радио, 1968, с. 105, Каменецкий Ю,А., LUep Ю.А. Измерение предельной частоты в диапазоне 20 — 200

МГц.— В сб,; Полупроводниковые приборы и их применение/Под ред, Я:А:- Федотова, вып. 4. М.; Сов. радио, 1960, с. 128, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНЫХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано для косвенного измерения динамических параметров активных четырехполюсников (АЧП), характеризующих их усилительные и частотные свойства. Цель изобретения — повышение точности и производительности измерения — достигается в результате использования потенциально высокой чувст„„5U„„1642412 А1 вительности характеристик автогенераторов на границе устойчивости генерации, Способ осуществляют путем мягкого возбуждения колебаний с минимальной частотой fMus и регулировки потерь в колебательной системе до значения, равного обратной величине крутизны динамической характеристики АЧП, взятой с обратным знаком. Затем возбуждают колебания с максимальной частотой f aKc. Выходную емкость АЧП определяют как произведение квадрата отношения fMw u

fìÂêñ на емкость конденсатора колебательной системы. Для регулировки потерь в устройство введены последовательно соединенные разделительный конденсатор

14 и регулируемый резистор 15, а также контактор 5 и омметр 4. Для обеспечения работоспособности АЧП используются первый 6 и второй 7 регулируемые источники напряжения смещения. Кроме того, устройство содержит калиброванные конденсатор 9, катушку 8 индуктивности и катушку 10 индуктивной обратной связи. Измерение параметров производится через буферный каскад 1 измерителем 2 амплитуды колебаний и частотомером 3. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1642412 устройство содержит буферный каскад 45

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров обобщенных динамических характеристик активных четырехполюсников, например биполярных, полевых транзисторов и интегральных микросхем, применяемых в генераторах, усилителях и импульсных устройствах, Цель изобретения — повышение точности и производительности измерений параметров активных четырехполюсников.

Повышение точности измерений обеспечивается известным свойством автогенераторов, которое состоит в потенциально высокой чувствительности их характеристик к изменению параметра в окрестности границы, разделяющей области устойчивости и колебаний.

Повышение производительности измерений обеспечивается путем замены семейств входных и выходных характеристик и четырех малосигнальных параметров, измеряемых на низких и высоких частотах, одной обобщенной характеристикой, которая устанавливает взаимосвязь значения отрицательной проводимости, вносимой s систему активным четырехполюсником, с

его основными параметрами при заданном положении рабочей точки; крутизной S, определяемой по семейству входных характеристик, и внутренним сопротивлением Кь определяемым по семейству выходных характеристик, Все указанные положения справедливы и для измерения эквивалентной емкости Св четырехполюсника, для чегО согласно способу в колебательной системе возбуждают колебания на предельно высоких частотах, на которых С> играет определяющую роль, На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — эквивалентная схема генератора на полевом транзисторе; на фиг, 3 — графики, поясняющие сущность способа измерения.

1, к выходу которого подключены измеритель 2 амплитуды колебаний и частотомер 3, к входу буферного каскада подключен омметр 4, при этом первый вывод контактора

5 подключен к общей шине и отрицательному выводу первого регулируемого источника 6 напряжения смещения, второй регулируемый источник 7 напряжения смещения, последовательно соединенные калиброванные катушку 8 индуктивности и конденсатор 9, катушку 10 индуктивности обратной связи, первую 11, вторую 12 и третью клеммы 13 дпя подключения измеряемого активного четырехполюсника, а также последовательно соединенные

40 (2) Uвх где I P l = " — функция передачи напряUevx жения цепью положительной обратной связи.

Используя матрицуА из коэффициентов системы (2), получим характеристический многочлен матрицы det IA-рЕ 1=0, который представим в виде кубического многочлена

aoP + а1Р + а2Р+ а З=О

2 (3) с коэффициентами

3o=Cp CkLkRa.c.RiRc

81=CoRa.с.йй(+ЬсСй(йа.с Ri (1 P SRc) +

+Rc(Ra.с.+Ri );

82=Ra.с. RI (CRc+SP Lk) + Lk(Ra.ñ.+ RI ); аз=Ra.c. Ri . (4)

Выбрав параметры колебательного контура (фиг, 2) из условия С0«С, рассмотразделительный конденсатор 14 и регулируемый резистор 15.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

Рассмотрим схему генератора на активном четырехполюснике, например на полевом транзисторе, с выходной емкостью С, (фиг. 2). На схеме также показаны регулируемые потери: Rc — вносимые в цепь энергоемкого элемента, например конденсатора

Cx. Ra.c. — сопротивление нагрузки, вносимое в колебательную систему. Известно, что ток активного четырехпопюсника есть функция входного и выходного напряжений

I= p {U ex 0 в ых).

Будем считать, что рабочая точка находится в активной области семейств вольтамперных характеристик, что соответствует режиму класса А или режиму с малой нелинейностью.

Для начальной стадии процесса мягкого возбуждения автоколебаний аппраксимируют характеристику четырехполюсника линейной функцией = SUex+ — 0вых, 1

Rl (1) где S, Ri — крутизна и внутреннее сопротивление активного четырехполюсника, Тогда запишем соответствующую линеаризованную систему дифференциальных уравнений для переменных токов и напряжений в схеме по фиг. 2 в нормальной форме х=Ах, которая в развернутой форме имеет вид

dlL 1

dt L0

= — — 0вых., dUc 1 1

dt Сйс CR

Обеих 1 + ЯЯН 1

dt — С. С, Rc Uñ+

1642412 (9) Рассмотрим режим возбуждения автоколебаний на высшей частоте диапазоне генератора, при возбуждении которых сопротивление Rc приобретает весьма большие значения. Пренебрегая в (4) слагаемыми, не содержащими Rc, получим многочлен второго порядка, который после деления на Rc, Ск имеет вид

CoLkRa.cRiP + L(Ra.ñ+ Ri г

P SRa.cRi)p+ Ra,cRI =О. (10) Таким образом, условие возбуждения высокочастотных колебаний и формула для определения отрицательного дифференциального сопротивления, вносимого в колебательную систему на высоких частотах, получаемые в результате приравнивания нулю коэффициента при р (10), идентичны выражениям (7) и (8). При этом частота возбуждающихся колебаний рим схемы генератора: низкочастотную эквивалентную схему генератора, в которой выражения для ai получают из (4) с помощью предельных переходов Co, Rc - О. В результате запишем характеристическое уравнение низкочастотной схемы в виде

LkCkRa. R рг+LkfRi(1 pSR . ) +

+Ra.c)p+ RacRl= О (5)

Следовательно, низкочастотная схема описывается уравнением второго порядка (5), а условие возбуждения или уравнение границы колебательной неустойчивости получают в результате приравнивания нулю коэффициента при первой производной;

Lk(Ra.с(1- Р ЯК!)+ Ri)= О. (6)

Из уравнения (6) следует, что при возбуждении низкочастотных колебаний вносимое сопротивление потерь Ra.с с параметрами активного четырехполюсника связано соотношением

В

"" =PSRj — 1 (7) и, значит, отрицательное динамическое сопротивление Rg определяемое согласно закону энергетического баланса из условия

)Rg i= Ra.c, может быть рассчитано из равен(-Ъ ства () Ri кя -„— - — — @ . (8)

В соответствии с теорией колебаний для систем с одной степенью свободы при выполнении (6) формулу для определения квадрата нижней частоты колебаний генератора можно получить из (5), разделив свободный член на коэффициент при р:

1 г/,с„ (14)

40 Частота этих низкочастотных колебаний определяется формулой (9). Если теперь увеличивать сопротивление Rc, 1о общие потери в схеме возрастут, автоколебания с частотой <мхх сорвутся и схема станет

45 устойчивой, Если продолжать увеличивать сопротивление Rc, то в ветвях схемы начнется перераспределение токов и собственная частота контура (фиг. 2) возрастет. В частности, ток, протекающий через конденсатор

Ск, уменьшится из-за увеличения сопротивления Rc, а ток через емкость Ср возрастет из-за уменьшения реактивного сопротивления Xo= 1/сиСр, связанного с ростом частоты м Уменьшение тока tc приведет к соответстствующему быст(ому уменьшению мощно55 сти потерь Pp= !с Rc, При втором пороговом значении Rc, соответствующем высокочастотному участку границы колебательной неустойчивости, в схеме вновь установится

5 v при выполнении условия Ck))Cp существенно превышает (9) Разделив (9) на (11) запишем формулу для определения Co.

Co= Ск (™" ) (12)

Тмакс

10 Теперь рассмотрим физические процессы, происходящие в схеме генератора, при регулировке активных сопротивлений R u

Ra ñ. Пусть вначалесопротивления Rc, Ra.с-О.

При этом сопротивление Ra.c шунтирует

15 контур (фиг. 2) и схема является устойчивой.

Увеличение Ra c до некоторого порогового значения приводит к возбуждению низкочастотных автоколебаний, причем рабочая точка перемещается по динамической ли20 нии нагрузки, которая проходит через точку пересечения соответствующей вольт-амперной характеристики с нагрузочной прямой в статическом режиме, и при выполнении неравенства P S R; > 1 (8), соответст25 вующего возбуждению схемы, имеет отрицательный наклон или отрицательную динамическую крутизну:

Sg = -1/Ra.с (-) (13)

Подставляя в (13) выражение (7) или (8), получим формулы для определения отрицательной динамической крутизны -Sg или отрицательной динамической проводимости

Gg справедливые для автоколебаний с ма(лой амплитудой, соответствующей окрестности границы колебательной неустойчивости (-) 1 — ЯЯ R

1642412 энергетический баланс и возбудятся автоколебания с частотой 4экс (11).

Из приведенного следует, что, выполнив измерения 6 (14) для различных точек пересечения линии нагрузки со статически- 5 ми вольт-амперными характеристиками, получим функцию (; -(U) (15)

У где Uy — некоторое управляющее напряже= 10 ние, являющееся функцией входного и выходного напряжений активного четырехполюсника, Теперь, используя (15), можно получить 15 выражение для обобщенной характеристики активного четырехполюсника в динамическом режиме =J О,Н(uy)Ы,. (16) 20

g(-) рр (17) 30

Зависимость крутизны S(Uy) для статических входных характеристик активного четы рехполюсника с хорошей точностью аппроксимируется параболой вида

S(Uy)=St S3U (18) имеющей максимум в точке перегиба входной характеристики.

Тогда, проинтегрировав (16) с учетом (17), получим уравнение обощенной дина- 40 мической характеристики активного четырехполюсника

l(Uy)= — Д(а-SзUy dUy =

3 (19) где I> — значение тока в рабочей точке, определяемое как значение постоянной интегрирования. 50

Следовательно, обобщенная динамическая характеристика активного четырехполюсника в активной области имеет вид кубической параболы, типичный для характеристик приборов с отрицательной дина- 55 мической проводимостью, Для пояснения способа измерений выполним построение границы колебательной неустойчивости (ГКН) схемы генератора на

Для выяснения вида этой характеристики отметим, что, выбрав статический коэффициент усиления активного четырехполюсника,и= $В и Р из условия 25 ,и Р»1, которое легко реализуется в и рактических случаях, сможем из (14) записать приближенное равенство фиг, 2. С этой целью получим уравнение низкочастотного участка границы, приравняв нулю а2 (4);

ЕВ

Ва.с (20) Уравнение (20) задает гиперболу, левая ветвь которой, соответствующая неотрицательным значениям Ra.с, Rc, показана на фиг. 3. Уравнение высокочастотного участка границы неустойчивости получим, приравняв нулю а1(4): (21) — R(Ск Rc

Rа.с

Уравнение (21) задает гиперболу, правая ветвь которой, соответствующая неотрицательным значениям Ra,c, Rc, показана на фиг. 3.

Условия устойчивости а > 0 (i= 0„...3) и

Ьп — 1=а 1а2 — 333p выполняются в заштрихованной области, ограниченной границей неустойчивости нэ фиг. За, Рассмотрим движение изображающей точки схемы при регулировке Ra.с, Rc. Пусть начальные значения Ra.c, Rc=0. Увеличение значения R .c до выхода точки на участок границы устойчивости при Яс=О соответствует возбуждению низкочастотных колебаний (9) с минимальной амплитудой, причем отрицательная динамическая проводимость определяется по формуле {14). Если теперь увеличивать сопротивление Rc до выхода изображающей точки на высокочастотный участок границы колебательной неустойчивости (фиг. За), то в схеме возбудятся высокочастотные колебания с минимальной амплитудой, частота которых определяется формулой (11).

Так, в частности, если после измерения

1 ив при минимальной амплитуде колебаний, соответствующей расположению изображающей точки схемы (фиг. 2) в точке Т1 (фиг, 3), разорвать цепь конденсатора 9 Ск в контуре на фиг. 2, что равносильно предельному переходу Rc - сс, то точка переместится в положение Т2 (фиг. 3). Следовательно, замыканием и размыканием контактора 5 в колебательном контуре (фиг. 1) можно осуществить в первом случае возбуждение автоколебаний с минимальной амплитудой на частоте fM», а, во втором случае — автоколебаний с минимальной амплитудой на частоте макс.

Устройство работает следующим образом.

После подключения измеряемого активного четырехполюсника к клеммам 11-13

1642412

5

15 (фиг, 1) контактор 5 замыкают, регулируемый резистор 15 Ra < эакорачивают и с помощью регулировки источников 6 и 7 питания U«, Ua«устанавливают режим измерений по постоянному току. Затем R>s регулируют до установления в схеме стационарных автоколебаний с минимальной амплитудой на частоте fM>H (9), определяемой параметрами ЬСк-контура. Переменное напряжение через буферный каскад 1 поступает на вход измерителя 2 амплитуды колебаний, с помощью которого индицируется установление стационарных колебаний с минимальной амплитудой, а также на вход частотомера 3, используемого для регистрации частоты fM

Ra,c, которое используют для расчета отрицательной динамической проводимости измеряемого активного четырехполюсника по формуле (14).

После этого контактор 5 размыкают. что соответствует перемещению изображающей точки Т из положения Т в положение

Тг(фиг, За) и возбуждению высокочастотных автоколебаний с минимальной амплитудой, устанавливаемой при необходимости с помощью резистора 15 Ra.c. "àòåì частоту

fMaKc переменного напряжения измеряют частотомером 3, после чего совместно с fM>H и значением емкости калибровочного конденсатора 9 Ск (фиг. 1) используют для расчета Со по формуле (12). Затем цикл измерения повторяют при новых значениях

Ua»., U »„„,.

В результате выполнения описанных измерений получают обобщенную характеристику активного четырехполюсника в виде зависимостей динамической отрицательной крутизны от,управляющего напряжения G = p(Uy) и Са= y(Uy), первая (-) из которых характеризует усилительные, а вторая — частотные свойства активного четырехполюсника. Измерения, выполненные в окрестности границы колебательной неустойчивости, обладают высокой точностью, поскольку в этом режиме чувствительность параметров колебаний систем к изменению параметров (в данном случае к регулировке Ra.c) является наивысшей.

Формула изобретения

1. Способ определения динамических параметров активных четырехполюсников, включающий подачу на четырехполюсник напряжений смещения и возбуждение в колебательной системе с измеряемым четы20

55 рехполюсником колебаний различных частот и измерение максимальной иэ них, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений, измеряют минимальную и максимальную частоты йри минимальной амплитуде автоколебаний, измеряют значение активного сопротивления, вносимого в колебательную систему по переменному току и соответствующего автоколебаниям с минимальными частотой и амплитудой, а затем определяют динамические параметры активного четырехполюсника по формулам

Sg (Uy) = —:Са (Uy) = Ck (™ )

1 а.с макс где S g, Са — крутизна динамической характеристики и эквивалентная емкость четырехполюсника;

Ra с — значение активного сопротивления, вносимого в колебательную систему по переменному току;

С, — значение емкости колебательной системы;

fM«, макс МИНИМаЛЬНаЯ И МаКСИМаЛЬная частоты автоколебаний с минимальной амплитудой;

Uy — значение управляющего напряжения, зависящего от напряжений смещения на входе и выходе четырехполюсника, 2. Устройство для определения динамических параметров активных четырехполюсников, содержащее три клеммы для подключения четырехполюсника, одна из которых соединена с общей шиной, два регулируемых источника напряжения смещения, один вывод которых соединен с общей шиной, при этом второй вывод первого регулируемого источника напряжения смещения через калиброванную катушку индуктивности подключен к первому выводу калиброванного конденсатора и первой клемме для подключения измеряемого четырехполюсника, вторая клемма для подключения измеряемого четырехполюсника через катушку индуктивной обратной связи соединена с вторым выводом второго регулируемого источника напряжения смещения, а также буферный каскад, к выходу которого подключены измеритель амплитуды колебаний и частотомер, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что в него введены контактор, омметр и последовательно соединенные разделительный конденсатор и регулируемый резистор, причем первый вывод контактора подключен к второму выводу калиброванного конденсатора, второй вывод разделительного конденса ора подключен к первой клемме для подключения

1642412 измеряемого четырехполюсника, а первый вывод разделительного конденсатора соединен с входом буферного каскада и пер! у

fó

Составитель И.Михалев

Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Редактор А.Огар

Заказ 1146 Тираж 420 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Р

3Sgg !

0 L Я5Я -j с я вым выводом омметра, при этом вторые выводы омметра, регулируемого резистора и контактора подключены к общей шине.