Устройство для измерения добротностии емкости варикапов
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Опубликовано З0.0181 Бюллетень ¹ 4 Дата опубликования описания 10. 02. 81 (51)М. Кл. G R 31/26 G 01 R 27/26 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий (53) УАК 621. З82..2 (088.8) (72) Автор изобретения I" 1 „ В.Л.Свирид I I (71) Заявитель Минский радиотехнический институт (5 4 ) УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ И ЕМКОСТИ BAPHKAII0B Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения добротности и емкости варикапов в параллельной схеме замещения и может быть использовано при технологическом контроле параметров полупроводниковых приборов и других объектов 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-. 1 буждении и содержащее измерительный контур с образцовым конденсатором переменной емкости и образцовой отрицательной активной проводимостью, системы ударного возбуждения колеба- 2О ний и автокомпенсации потерь, а.также аналоговый делитель с регистрирующим прибором и исследуемый элемент с источником и измерителем напряжения смещения (11 . Это устройство может работать на повышенных частотах (несколько единиц или десятков МГц), однако, из-эа влияния неравномерности активных потерь образцового конденсатора при эа- ЗО мещении его емкости емкостью варикапа, оно не обеспечивает необходимой точности измерений. Кроме этого, устройство имеет низкую производиTBJ;bHocTb 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, управляемый по 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 — c системой авторегулировки приращения частоты (2j. 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 переменнос 800910 35 9(" « T,С, (4) ie) емкости является обязательным условием практически для всех методов измерения параметров варикапов. Цель изобретения — повышение точности и автоматизации измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения добротности и емкости варикапов, 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, два вычитающих, два множительных и два множительно-делительных устройств и источник опорного напряжения, подключенный к одному из входов 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-делительного 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 выходу первого вычитающего устройства, соединенному с множительным входом первого множительно-делительного устройства, выход которого соединен с 5 одним входом регистрирующего прибора, другие входы которого подключены к выходам первого синхронного демодулятора, соединенного со вторым входом сравнивающего устройства, второго множительно-делительного устройства и источника напряжения смещения, соединенного с измерительным блоком. Измеряемые добротность и емкость варикапа в параллельной схеме заме15 щения представлены в следующем виде: 2 2 1 2 (А, -A )f <(<<, -u )u U4 ()2 С Ь г 2(f f 47(- 1. (т ") 1 г (pI где (, 1 и )1, Ь вЂ” резонансные частоты и приращения частот, задаваемые при определении второй производной от АЧХ измерительного блока, соответственно при отключенном и подключенном исследуемом элементе; число, показывающее во сколько раэ половина полосы пропускания измерительного блока на уровне 0,707 (6 (о ) больше приращения частоты задаваемого при определении второй производной, равное „„а1о тог ау 2аТ< рдТд0 (3) и и K — коэффициенты преобразования частот ф.(, и приращений частот в напряжения, соответствен. 7 но. О,, и, а uÄ ÄÄ u,: g,H 8 â добротности измерительного блока, соответственно при отключенном и подключенном исследуемом эле45 индуктивность измерительного блока. Действительно, при отключенном варикапе измерительный блок, характеризующийся добротностью Qq . емкостью С) и резонансной частотой имеет эквивалентное сопротивление При подключении к измерительному блоку исследуемого варикапа изменяется его резонансная частота и добротность, которые принимают значения 66 р и Ц, при этом эквивалентное сопротивление блока равна ><< С (5) 2) Х1С 65 где Сь = С + С 800910 Так как частота, на которой работает варикап, приобрела значение г то эквивалентное сопротивление исследуемого варикапа определяем на этой частоте по формуле 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 L 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. поеь = —— Оь 2%2с ь 4 е2 е1 Н ое Ь Подстанляя в это выражение (4) (7). получаем gpjf2(C pg ) - гк f16 2% f1Ñ Ь 20 02 отсюда искомая добротность варикапа равна 25 (8) 30 Для осуществления модуляции пара-. метров измерительного блока в устройство нведен переключатель 6, 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 варикапов, 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 импульcos, четвертый и пятый синхронные демодуляторы 15 и 16 и устройства перное и нторое множительные 17 и 18, второе нычитающее 19 и второе множительно-делительное 20. С помощью генератора 21 управляющих импульсов производится синхронизация работы переключателя 6 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 6 осуществляет подачу необходимого смещения на исследуемый элемент 7, а регистрируюИспользуя известное уравнение Томсона, связывающее резонансную частоту с индуктинностью и емкостью контура, подставляем неизвестные величины емкостей c„ C2 через соот- 35 ветствующие резонансные частоты и индуктивность - измерительного блока Сг =(гп1тГ C1,= =(гну д L (9) При подстановке (9 ) н (6 } выражение для искомой емкости варикапа 45 приобретает вид (2). Для определения неизвестных величин Q<и gq носпользуемся соотношением (3 ), описывающим работу известного устройства. Подставляя (9), (2 ) и (3 ) в (8 ), получаем напряжение для искомой добротности варикапа в виде уравнения (1) . Устройство в автоматическом режиме осуществляет модуляцию параметров измерительного блока путем поочередного подключения и отключения исследуемого элемента с одновременным непрерывным слежением за состоянием резонанса и приращением частоты. соответствующим заданному числу -А и фф добротности измерительного блока, последующей обработкой получаемой при этом информации в виде напряжений О, Uq, а Uq, h U и вычислением по (1) и (2 ) величин искомых параметров. Я Известно, что при параллельном lO включении двух элементов их проводимости .складываются 800910 50 щий прибор 25 — индикацию всех измеряемых величин. Работа устройства происходит в автоматическом режиме в соответствии со следующим алгоритмом. Измерительный блок 3 с подключенным исследуемым варикапом 7 настраивается на определенную частоту, например, fg . Это связано с тем, что добротность варикапа является частотно-зависимым параметром и частоту измерения необходимо фиксировать, иначе затрудняется сравнение результатов измерения. В установившемся режиме эта настройка осуществляется с помощью системы стабилизации частоты измерения путем замещения емкости измерительного блока емкостью исследуемого варикапа, причем резонанс в измерительном блоке 3 поддерживается непрерывно с помощью системы 5 поиска резонансной частоты за счет перестройки частоты генератора 1. На заданной частоте gg определяется добротность Я (3 ) и емкость С2 (9) измерительного блока с подключенным варикапом, т. е. эквивалентные 2 им а и д или их аналоги а и Ц, с последующим хранением информации об этих параметрах. Исследуемый варикап отключается от измерительного блока, при этом емкость С измерительного блока с отключенным варикапом сохраняется неизменной на определенное время, достаточное для протекания переходных процессов в системах автоматического регулирования и регистрации новых значений параметров измерительного блока, а резонанс достигается на новой частоте „ путем перестройки частоты генератора 1, На частоте определяются новые значения добротности Q„ и емкости С1 измерительного блока 3, т. е. Я. эквивалентные им ф и или их г аналоги Л U< и U с последующим хранением информацйи об этих параметрах. Полученная информация о параметрах измерительного блока с ссодключенным(Й, С Д ) и отключенным (Qg С» и, ) исследуемым варикапом обрабатывается в соответствующих каналах с последующим вычислением в соответствии с формулами (1) и (2 ) величин искомых параметров. В исходном состоянии, когда под влиянием управляющих импульсов генератора 21 переключатель б находится в состоянии, подключающем к измерительному блоку 3 исследуемый элемент 7, смещенный необходимым напряжением источника 24, а синхронные демодуляторы 8, 11, 16, 10, 15 соответственно в режиме накопления и хранения информации, на один из входов частотного модулятора 2 поступает напряжение произвольной частоты от генератора 1, а на второй — ступенчатое напряжение определенной ампли суди системы 4 авторегулировки приращения частоты, при этом система 5 поиска не получая управляющего сигнала че— рез систему 4 с выхода измерительного блока 3, перестраивает генератор 1 в пределах диапазона частот до тех пор, пока его частота не войдет в полосу пропускания измерительного блока 3 и не совпадает с резонансной. Резонансная частота измерительного блока 3 в начальный момент времени оказывается смещенной в противоположный началу перестройки край диапазона генератора 1 под влиянием большого разностного сигнала, возникающего в сравнивающем устройстве 22 за счет преобладания одного из напряжений: опорного напряжения источника 23 или выходного напряжения синхронного демодулятора 8, в зависимости от того, с какого края диапазона начичается перестройка частоты генератора 1 снизу вверх или сверху вниз. Перестраивая частоту генератора 1 снизу вверх, выходное напряжение системы 5 поиска возрастает, вызывая увеличение напряжения на выходе синхронного демодулятора 8, которое, преодолевая в сравнивающем устройстве 22 опорное напряжение источника 23, способствует вхождению частоты генератора 1 в полосу пропускания измерительного блока 3 и появлению сигнала на выходе последнего. Это приводит в действие систему 4 регулировки приращения частоты, в которой образуются напряжения, пропорциональные первой и вторым производным в соответствующих точках АЧХ. При прохождении через точку резонанса первая производная изменяет свой знак на противоположный и останавливает систему 5 поиска, переводя ее в режим автоподстрбйки. С этого момента времени система. стабилизации частоты измерения получает приоритет по отношению к системе 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 начальными условиями (уровнем опорного напряжения источника 23 ), c последующей ее стабилизацией в установившемся режиме независимо от влияния различных факторов. В это же время система 5 поиска осуществляет непрерывное слежение за состоянием точной настройки генератора 1 на резонансную частоту измерительного блока 3 и, воздействуя на систему 4, разрешает ей авторегулировку приращения частоты, при этом начинает изменяться амплитуда ступенчатого напряжения во вто,зом вх дс. частотного модулятора 2. Эта ампч:HI)091(I 10 1 у21а Ilf ()цо.11жае I 11зменять(ся цо тех I )Р, Il()I(B выходное напряжение модулятора 2, получив приращение частот, .1ропорциональные л, и пройдя измерительный блок 3, обладающий добротностью Q2, не создаст соотношение напряжений вторых производных в точке резонанса и точке, отстоящей от первой на величину I)f, соответствующее установленному числу Спустя некоторое время система 4 авторегулировки приращения частоты приходит в равновесное состояние, непрерывно поддерживая постоянной с заданной степенью точности и в соответствии со значением добротности измерительного блока, величину ам- 15 плитуды ступенчатого напряжения, пропорциональную 1 -, независимо от действия различных факторов. Одновременно с протеканием переходных процессов в рассматриваемых 20 системах производится непрерывная обработка их выходных сигналов. В линейном преобразователе 14 происходит выпрямление ступенчатого напряжения с выхода системы 4, а в квад- 25 ратичном преобразователе 9 — возведение в квадрат напряжения с выхода системы 5 поиска. Преобразованные напряжения воздействуют на информационные входы синхронных демодуляторов 15, 16 и 10, 11. К моменту окончания переходных процессов установившиеся выходные напряжения систем 4 и 5, пропорциональные приращению частоты ь и резонансной частоте, преобразовав35 шись в линейном и квадратичном преобразователях 14 и 9 в напряжения а У 2 и О,оказываются накопленными соответственно в синхронных демодуляторах 16 и 11, находящихся все это 40 время в режиме накопления информации под влиянием генератора 21. По окончании управляющего импульса генератора 21, длительность которого согласована со временем установления переход-15 ных процессов в системах 4 и 5, синхронные демодуляторы 8 11 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 з5 точной настройке с подключенным исследуемым элементом 7 на резонансную частоту . Одновременно с этим на втором выходе генератора 21 образуется импульс, который переводит синхрон-go ные демодуляторы 10, 15 в режим накопления информации, а переключатель 6 во второе состояние, отключающее исследуемый элемент 7 от измерительно .о блока 3. При отключении исследуемого элемента 7 происходит модуляция параметров измерительного блока 3, при этом системы 4 и 5, стремясь сохранить условия резонанса и постоянство числа * при другой добротности 8 измерительного блока 3, вызывают изменения напряжения на втором входе частотного модулятора 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 соответствии с(2) в канале измерения емкости. т. е. вычитается в устройстве 12 с хранимым напряжением демодулятора 11, а образующаяся разность напряжений подвергается делению в множительно-делительном устройстве 13 на напряжения синхронных демодуляторов 10 и 11 и поступает на регистрирующий прибор 25. Одновременно с этим выходное напряжение демодулятора 15 .обрабатывается в соответствии с (1 ) в канале изме,)ения добротности, т. е. перемножается в множительном устройстве 17 с хранимым напряжением демодулятора 11 и вычитается в устройств 19 с перемножаемым в множительном устройстве 18 напряжением демодулятора 16 и изменяющимся напряжением демодулятора 10, а получаемая разность, воздействуя на делительный вход множительно-делительного устройства 20, производит деление на данную разность перемножаемых в этом же устройстве напряжений с выходов синхронного демодулятора 8 и вычитающего устройства 12 и поступает на регулирующий прибор 25. По установлению в рассматриваемом устройстве переходных процессов, когда выходные напряжения систем 4 и 5 станут соответствовать в точности приращению частоты и и резонансной частоте $, генератор 21, заканчивая формирование управляющего импульса на своем втором выходе, переводит синхронные демодуляторы 15 и 10 в режим хранения накопленной информации в виде напряжений ь1(и U (1), (2}, при этом выходные напряжения множительно-делительных устройств 13 и 20 оказываются точно соответствующими измеряемым емкости и добротности исс) едуемого варикапа и регистрируются прибором 25. Спустя некоторое предельно короткое время, достаточное только для регистрации измеряемых емкости и добротности, индикация измеряемых параметров может производиться(напряжения смещения и частоты измерения за время действия соответственно йервого и второго управляющих импульсо(1 800910 Формула изобретения $5 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- 2О 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 +0,1Ъ 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 сравнивающее два вычитающих, два множительных и два множительноделительных устройств и источник опорного напряжения, подключенный к одному иэ входов сравнивающего устройства, выход которого соединен с 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 синхронных демодуляторов соединены с соответствующими входами первого вычитающего и делительными входами первого множительноделительного устройств, а также с 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 из множительных входов которого подключен к выходу первого синхронного демодулятора, а второй — к выходу первого вычитающего устройства, соединенному с множительным входом первого множительно-делительного устройства, выход которого соединен с одним входом регистрирующего прибора, другие входы которого подключены к выходам первого синхронного демодулятора, соединенного со вторым входом сравнивающего устройства, второго множительно-делительного устройства и источника напряжения смещения, соединенного с измерительным блоком. Источники информации принятые во внимание при эксйертиэе 1. Авторское свидетельство СССР Р 429375, кл. G 01 В 27/26, 1972. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2402461/25/, кл. 0 01 К 27/26, 1976 (прототип). 800910 Составитель В.Немцев Редактор Е.Лушникова Техред С.Иигуйова Корректор Н.Григорук Заказ 10413 61 Тираж 743 Подписное BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент, г. ужгорОд, ул. Проектная, 
