СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ ВЕЛИЧИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ Российский патент 2005 года по МПК G01R27/02 G01R17/02 H01C17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в производстве прецизионных резисторов, в том числе их интегральных наборов в микроэлектронном исполнении, а также при подгонке компонентов в составе гибридных микросхем (ГИС) и при подгонке коэффициентов резистивных делителей напряжения.

Уровень техники

Известны различные способы измерения сопротивления резисторов, которые также можно использовать в технологическом процессе подгонки при производстве резисторов или резистивных микросхем (см., например, "Измерения в электронике: Справочник", В.А.Кузнецов, В.А.Долгов, В.М.Коневских и др. Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с., с.194-199).

Недостатком всех описанных в указанном источнике технических решений является то, что они не позволяют выполнить измерения и подгонку сопротивлений резисторов с достаточной точностью в автоматизированном режиме.

Известен способ измерения сопротивления резисторов (см. А.С. 1652940, G 01 R 27/00, БИ №20, 1991 г.), согласно которому через образцовый и измеряемый резисторы в определенных тактах преобразования пропускают измерительный ток, измеряют выделяемое на указанных резисторах напряжение, запоминают результаты измерений, а затем повторяют процесс в отсутствие измерительного тока через измерительный и образцовый резисторы. При этом окончательным результатом считают разницу значений первого и второго этапа, пересчитанную на значение сопротивления измеряемого резистора, которое не содержит в результате погрешности, вызванной сетевой помехой.

Недостатком известного способа является невысокая точность измерения из-за погрешностей измерения напряжений, пропорциональных сопротивлениям измеряемого и образцового резистора в тактах преобразования, в частности динамических погрешностей из-за переключения режимов работы устройства. Следует отметить, что для исключения погрешности из-за сетевой наводки используют также другие методы измерений, например мостовые.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является способ подгонки величины сопротивления резисторов (см. пат. 57-10563, Япония. Заявл. 30.03.73, №48-36446, опубл. 26.02.82, МКИ H 01 C 17/22, G 01 R 17/00), согласно которому цифровой сигнал с заданным кодом величины сопротивления подается на пропорциональный счетчик и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), соответствующее напряжение на выходе которого преобразуется в определенную величину тока, подаваемого на вход усилителя. Резистор, величина сопротивления которого должна быть подогнана, подключают в цепь отрицательной обратной связи усилителя, напряжение с выхода которого подводится к входу вычитающего устройства, на другой вход которого подают напряжение, пропорциональное заданному коду. Сигнал разбаланса подают с выхода вычитающего устройства на устройство управления подгонкой, которое автоматически изменяет величину сопротивления подгоняемого резистора, пока сигнал разбаланса не станет равен нулю, причем подгоняемые резисторы должны вначале иметь величину сопротивления меньшую, чем заданная величина.

Недостатком этого способа является наличие в результате измерения и подгонки погрешности, вызванной погрешностями преобразования эквивалентного коду напряжения в ток. Другим недостатком данного способа являются его ограниченные возможности из-за отсутствия непосредственной оценки сопротивления подгоняемого резистора, что в свою очередь необходимо знать при подгонке, например, тонкопленочных резисторов с целью оценки удельного поверхностного сопротивления.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является уменьшение погрешности подгонки, а также расширение функциональных возможностей за счет получения оценки сопротивления подгоняемого резистора.

Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что в способе измерения и подгонки величины сопротивления резисторов создают цифровой сигнал, пропорциональный величине сопротивления подгоняемого резистора, определяют разность сигналов, пропорциональную отклонению сопротивления подгоняемого резистора от требуемого значения, по результату которой создают пропорциональное воздействие инструмента подгонки на резистивную структуру подгоняемого резистора, при этом подгоняемый и образцовый резисторы включают последовательно с кодоуправляемой резистивной матрицей R-2R и поочередно в одно из плеч мостовой цепи, другие плечи которой образованы дополнительными образцовыми делителем напряжения и резистором, причем значение цифрового сигнала изменяют, добиваясь состояния баланса моста, который регистрируют нуль-органом, включенным в диагональ моста, а соответствующий балансу моста цифровой сигнал запоминают, замещают резистор, требующий подгонки, образцовым и повторяют операции балансировки моста и регистрации цифрового сигнала в режиме баланса, после чего находят разницу между числовыми значениями кодов, запомненными на первом и втором этапах, по которой определяют степень воздействия инструмента подгонки на резистивную структуру подгоняемого (измеряемого) резистора.

Перечень фигур

На фиг.1-3 представлены эквивалентные схемы измерителя и подгонки сопротивления резистора.

Элементы схем обозначены следующим образом.

1,2 - клеммы измерительной диагонали моста, 2, 3 - клеммы подключения измеряемого резистора, 4₀-4_n - нулевой (дополнительный) и разрядные резисторы с величинами сопротивлений R₀-R_n, 4*₁-4*_n-1 - резисторы связи с величинами сопротивлений R*₁-R*_n-1 4-5 - КУД R-2R с резисторной матрицей 4 типа R-2R и разрядными ключами 5, 5₁-5_n - разрядные переключатели, 6 - опорный источник постоянного тока, 7 - внутреннее сопротивление опорного источника постоянного тока, 8 - дополнительный образцовый резистор с сопротивлением R_m, 9-10 - сопротивления r₀ и дополнительного образцового делителя напряжения соответственно, 11 - нуль-орган (гальванометр), 12 - внутреннее сопротивление r гальванометра, 13 - измеряемый (образцовый) резистор с сопротивлением R_x(R₀), 14₁-14_n - эквивалентные разрядные источники с ЭДС, равной Eβ_i-Еβ_n, 15 - блок регистрации результата и управления подгоночным инструментом, 16 - шина подачи цифрового сигнала N.

НО - нуль-орган (гальванометр, миллиамперметр); r - внутреннее сопротивление НО; r₀ и - сопротивления плеч дополнительного образцового делителя напряжения, R_m - сопротивление дополнительного образцового резистора; R_x - измеряемый (подгоняемый) резистор; R(N), , R*(N) - элементы схемы замещения резистивной матрицы R-2R, выполненной четырехполюсником типа "звезда", Е, r_i - напряжение опорного источника постоянного тока и его внутреннее сопротивление, соответственно; КУД - кодоуправляемый делитель на базе резистивной матрицы типа R-2R; N - двоичный код управления КУД; N_x - код, пропорциональный сопротивлению подгоняемого (измеряемого) резистора; N₀₁ - код, пропорциональный сопротивлению образцового резистора; БРУП - блок регистрации результата измерения и управления подгоночным инструментом, УИП - выходная шина БРУП сигнала управления инструментом подгонки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления

Создание в последние годы гибридных прецизионных ЦАП типа, например, DAC 729 с разрешающей способностью 18 разрядов и резисторных делителей напряжения типа, например, 319НФ2(3,4) позволяет модернизировать некоторые методы измерений физических величин и повысить точность их измерения. Для разработки новых измерительных алгоритмов требуется во многих случаях привлечение теоретического аппарата фундаментальных дисциплин.

Воспользуемся электрической схемой, представленной на фиг.1. В этой схеме осуществляется сравнение нуль-органом (между клеммами 1 и 2) выходных напряжений двух резисторных делителей: первого - составленного из резисторов r₀ и , являющегося образцовым делителем напряжения с фиксированным значением коэффициента деления К₀, лежащим в пределах 0<К₀<1, и второго - составленного из трех резисторов (дополнительного образцового R_m, измеряемого R_x и выходного сопротивления n-разрядного двоичного делителя R-2R). Переключатели S_i соединяют соответствующий i - разряд двоичного делителя с ЭДС источника Е тогда, когда в подаваемом на входы двоичного делителя коде N весовой индекс β_i=1. При анализе принимаем также, что внутреннее сопротивление источника ЭДС r_i=0.

Исходная схема может быть преобразована в эквивалентную схему фиг.2. Анализируя эту схему, можно установить, что контурный ток I_но, равный току в цепи между клеммами 1 и 2 I₁₂, определяется выражением:

где n - число разрядов двоичного делителя, |D| - определитель порядка n+3, который можно представить следующей разряженной матрицей

Матрица ЭДС имеет вид:

Для определения тока в диагонали моста необходимо знать определитель |D_n+2|, который находится заменой в определителе |D| порядка (n+3) столбца под номером (n+2) на матрицу ЭДС - |E|. Такой определитель имеет вид:

Условием баланса измерительного моста является равенство нулю тока I₁₂ в его диагонали, что равносильно выполнению условия: |D_n+2|=0. Разлагая определитель |D_n+2| по строке n+3, получим:

где Δ_n+3,n+2 и Δ_n+3,n+3 соответствующие алгебраические дополнения, определяемые выражениями

где |D_n| - определитель, составленный из первых n строк и n столбцов определителя |D_n+2|, a

где |D_nβ| - определитель, полученный из определителя |D_n| путем замены в нем последнего столбца на первые n элементов матрицы |Е|. Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2) и учитывая, что в двоичном делителе R-2R выполняются равенства: R₀=R₁=R₂=...=R_n=2R; R*₁=R*₂=...=R*_n=R, получим условие баланса (2) моста в виде

Поделив обе части уравнения (5) на (r₀+) и принимая во внимание, что коэффициент деления образцового делителя K₀=r₀/(r₀+), а , где N - числовой эквивалент кода, подаваемого на входы двоичного делителя, можно из выражения (5) определить величину сопротивления R_x измеряемого резистора, которое будет равно:

Если провести измерение сопротивлений нескольких резисторов, включая их поочередно между клеммами 2-3 (фиг.1-3) согласно предлагаемому способу, то можно заметить, что в выражении (6) будут пропорционально меняться лишь две величины R_x и N, с учетом высокой кратковременной стабильности остальных параметров элементов мостовой цепи. Данное обстоятельство позволяет выполнять измерения путем дифференциального сравнения с мерой, учитывая его преимущества в плане повышения точности измерений, а также проводить подгонку резистивных микросхем, например, типа HP (наборы резисторов, делители напряжения и тока) по отношению к выбранному элементу микросхемы. Пусть после измерения сопротивления R_x выполнено измерение предложенным способом другого резистора. При этом:

а величину отклонения значения сопротивления резистора R_x от величины сопротивления R₀₁ можно определить, вычитая уравнения (6) и (7)

где ΔN_x - изменение числового значения кода двух последовательных измерений. R/2^n-1K₀=λ=const - постоянная величина при измерении разностей ΔR_x. Т.о. в данном способе степень воздействия подгоночного инструмента на резистивную структуру должна быть пропорциональна лишь ΔN_x. Методическую погрешность измерения (подгонки) сопротивления предлагаемым способом можно рассчитать, полагая, что задана величина дополнительного образцового сопротивления, например, R_m=2R, a ΔN=1. При этом δR_x=ΔR_x/R_x=(ΔN_x/N_x)(1/2^n-1K₀)/((1/2^n-1K₀)-3/N_x). Если, например, n=16 разрядам, а К₀=0,5, N_x=N_max=2ⁿ, то δR_x=0,000062, что бесспорно является очень малой величиной. Инструментальная составляющая общей погрешности будет равна погрешности образцового резистора, которым замещают резистор с сопротивлением R_x.

Осуществить предлагаемый способ можно согласно схеме, представленной на фиг.3.

К измерительным клеммам 2 и 3 вначале подключают неизвестное сопротивление R_x, а на шину 16 управления подают изменяющийся во времени цифровой сигнал N до достижения равновесия моста, о чем судят по показаниям НО. При этом НО выдает на блок 15 регистрации результата и управления подгонкой свой сигнал на регистрацию значения кода N=N_x. После этого к измерительным клеммам 2 и 3 подключают резистор с известным образцовым сопротивлением либо с сопротивлением R₀₁, по отношению к которому необходимо подогнать сопротивление R_x, и процесс нахождения кода N₀₁ и его регистрации повторяется. Блок 15 может представлять собой стандартное арифметическо-логическое устройство (АЛУ) и вырабатывать сигнал, равный или пропорциональный разности ΔN_x, который будет оказывать соответствующее пропорциональное воздействие на подгоночный инструмент, вырабатывая при этом сигнал управления инструментом подгонки УИП.

Предлагаемый способ измерения и подгонки величины сопротивления резисторов включает все преимущества мостовых методов измерений: большая точность, компенсация синфазных погрешностей, высокая чувствительность, широкий диапазон измеряемых значений и, вместе с тем, прост в реализации цифрового уравновешивания при использовании серийных элементов.

Измеряемый резистор включают последовательно с кодоуправляемой резистивной матрицей R-2R в одно из плеч моста. На шину управления подают изменяющийся во времени цифровой сигнал. При достижении равновесия моста запоминают цифровой код. Затем измеряемый резистор заменяют резистором с образцовым сопротивлением и процесс нахождения цифрового кода, соответствующего балансу моста, повторяют. Разница полученных цифровых кодов определяет необходимое воздействие на подгоночный инструмент. Предлагаемый способ включает все преимущества мостовых методов измерений: большую точность, высокую чувствительность, компенсацию синфазных погрешностей, широкий диапазон измеряемых значений. Цифровое уравновешивание моста просто реализовать при использовании серийных элементов. 3 ил.

Способ измерения и подгонки величины сопротивления резисторов, заключающийся в том, что создают цифровой сигнал, пропорциональный величине сопротивления подгоняемого резистора, определяют разность сигналов, пропорциональную отклонению сопротивления резистора от требуемого значения, по результату которой создают пропорциональное воздействие инструмента подгонки на резистивную структуру подгоняемого резистора, отличающийся тем, что подгоняемый и образцовый резисторы включают последовательно с кодоуправляемой резистивной матрицей R-2R и поочередно в одно из плеч мостовой цепи, другие плечи которой образованы дополнительными образцовыми делителем напряжения и резистором, при этом значение цифрового сигнала изменяют таким образом, что добиваются состояния баланса мостовой цепи, который регистрируют нуль-органом, включенным в диагональ моста, а соответствующий балансу моста цифровой сигнал запоминают, замещают резистор, требующий подгонки, образцовым и повторяют операции балансировки моста и регистрации цифрового сигнала в режиме баланса, после чего находят разницу между числовыми значениями кодов, запомненными на первом и втором этапах, по которой определяют степень воздействия инструмента подгонки на резистивную структуру подгоняемого (измеряемого) резистора.