Измеритель добротности варикапов Советский патент 1983 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может выть использовано в производстве полупроводниковых приборов для измерения добротности варикапов, а также р-/,-переходов/ барьеров Шотки, МДП-структур и других нелинейных эле ментов. Известно устройство для контроля параметров варикапа, содержащее управляемый преобразователь, регулируКХ4ИЙ блок, источник опорного напряже ния, блок управления, блок сравнения блок регистрации, коммутатор, источник смещения, генератор, емкости, резисторы и клемква для подключения испытуемого варикапа f . ° Данное устройство позволяет измерять емкость и коэффициент перекрытия варикапа, однако не измеряет его добротности, т.е. .имеет ограниченные функциональные возможности.. Наиболее близким к предлагаемому является из1 эритель добротности вари капов, содержащий генератор, усилитель, блок выделения экстрему ма, выполняющий функции линейного детектора, первый и второй постоянные конденсаторы, первый и второй разЬязывёцощие элементы, третий развязывающий элемент, соединенный первым выводом с выходом первого развязывающе го элемента, а вторым выводом - с первым выводом первого постоянного конденсатора 2J.. Известноеустройство позволяет ав томатически измерять добротность варикапов, однако обладает рядом недостатков, уменьшакяцих точность изме рений . Наличие в колебательном контуре двух варикапов - испытуемого и эталои ного - приводит к тому, что сигнал на входе измерительного контура в мо мент резонанса зависит от добротност обоих варикапов. Для того, чтобы выделить сигнал, пропорциональный добротности испытуемого варикапа, в изгмеритель добротности введено вычисли тельное устройство и еще один эталон ный варикап. Напряжение на выходе вычислительного устройства зависит от напряжения И , пропорциональног напряжению резонанса в контуре, напряжения и4 , соответствующего емкости контура в момент резонанса, на пряжения jig , пропорционального емкости эталонного варикапа в .резонанса и контуре, и от добротности эт алонного варикапа. Напряжения U и DB / вводи1лле на входы вычислитель ного устройства, зависят .от стасильности амплитуды и частоты. Кроме того, величина напряжения U зависит от стабильности коэффициента усиления усилителя и точности устройства выде ления экстремума, а величина напряже ния Ug - от точности преобразования емкости эталонного варикапа, не стоящего в измерительном контуре, в напряжение и точности выделения мак симального напряжения измерительным блоком. Величина напряжения U.f 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 всегданиже, 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 тем; что в измеритель добротности варикапов, содержащий генератор, усилитель, линейный детектор, первый и . второй постоянные конденсаторы, первый .и второй развязывающие элементы, третий развязывающий элемент, соединенный 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 втог рой синхронные детекторы, причем первый выход генератора соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, второй выход с neisBbiM входом регулируемого усилитечя, соединенного первым выходом через линейный детектор с первой выходной клеммой устройства, вторым выходом через первичную обмотку трансформатора - с общей шиной устройства, первый вывод вторичной обр-ютки 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 вторь м входом первого синхронного детектора, соединенного выходом через нуль-орган с входом первого развязывающего элемента, непосредственно - с третьей выходной клеммой устройства, чет вер- тая выходная клемма которого соедине на с первым выводом переменного резистора, соединенного вторым выводом с выходом 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 развязывающий элемент - с вторым входом регули руемого усилителя, ротор переменного конденсатора соединен механически с первым выводом переменного резистора На чертеже приведена блок-схема предлагаемого измерителя. Измеритель добротности варикапов содержит генератор 1, усилитель 2, линейный детектор 3, первый 4 и второй 5 постоянные конденсаторы, первы б и второй 7 развязывающие элементы, например RC -фильтры, третий развязывающий элемент 8, например резис тор, соединенный первы1«1 выводом с выходом первого развязывающего элемента 6, а вторым выводом - с первым выводом первого постоянного конденса тора 4. Первый выход генератора 1 со единен с первыми входами первого 9 и второго 10 синхронных детекторов, второй выход - с первым входом регулируемого усилителя 11, соединенного первым выходом через линейный детектор 3 с первой выходной клеммой устройства, а вторым выходом через первичную обмотку трансформатора-12 с общей шиной устройства. Первый выход вторичной обмотки трансформатора 12 соединен через переменный конденсатор 13 с первым выводом второго постоянного конденсатора 5, с входом усилителя 2 и с первой клеммой для подключения контролируемого варикапа 14, вторая клемма для подключения ко торого соединена с второй выходной клеммой устройства, с первым выводом первого постоянного конденсатора 4, соединенного вторым выводом с вторым выводом вторичной обмотки трансформа тора 12, третий вывод которой соединен с общей шиной устройства, с которой соединен второй вывод второго постоянного конденсатора 5 и первый вывод резистора 15, соединенного BTOJXJM выводом с входом усилителя 2. Первый выход усилителя 2 соединен с вторым входом первого синхронного детектора 9, соединенного выходом че рез нуль-орган 16 с входом первого развязывающего элемента б, непосредственно - с третьей выходной клеммой .устройства, четвертая выходная клемма которого соединена с первым выводом переменного резистора 17, соединенного вторым выводом с выходом источника 18 опорного напряжения, третьим выводом - с общей шиной устройства, а первым выводом - с Лервым 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 nepefvieHHoro резистора 17. Трансформатор 12 и конленсатрры 4 и 13 образуют измерительный мост 20. Развязывающие элементы 6 и 7 выполнены в виде RC -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 эквивалентная параллельная -схема замещения активной и реактивной составляющих нелинейных элементов, в соответствии с которой добротность Q связана с параллельными емкость С и проводи- мостью G соотношением Q--§- I - I. где GL) - угловая частота. Эквивалентная схема варикапа представляет собой паргшлельно соединенные емкость сопротивление включенные последовательно с сопро-i тивлением объема полупроводника Р причем Гс /R t . На низких частотах ((х), когда Со « f/CQ-fRrg, указаннаи эквивалентная схема переходит в двухэлементную нарсшлельную схему, при этом эквивалентные емкость Сэ и проводимость Qg равны С Cg, R iQj На BucojKHX частотах, когда С«} vs / /Ci -jRrt , она также переходит в двухэлементную схему, но последовательную (С{5 и fе,, при этом эквивалентные параллельные емкость и проводимость равны соответственно Сд С/1+ uQg-1 /Pq(| t Q-i) . ЕСЛИ Q j 10 это условие выполняется для варикапов вплоть до частотfv 100 МГц), тоСд Сс, с точностью тчше 1%. В районе частоты 60 ifCc, ,где надо использовать полную трехэлементную схему, добротность варикапа максимальна и в этом случае также с большой точностью. Таким образом, пользуясь параллельной схемой замещения, можно с большой точностью измерять не только добротность, но и емкость варикапа Сд как равную измеряемой емкости С в диапазоне от низких частот до частот v.ioo МГц. Синусоидальный сигнаш с частотой i с второго выхода генератора 1 поступает на первый вход регулируемого усилителя 11, с второго выхода кототрого поступает на измерительный мост 20. Обозначим амплитуду сигнала на выходе регулируемого усилителя 11 через И per Пропорциональная часть этого сигнала, пройдя через конден1сатор 13, включенный в одно плечо моста 20, и через испытуемый варикап 14, выделяется в виде сигнала разбаланса на емкостной нагрузке - конденсаторе 5, имеющем емкость Сц.причем реактивное сопротивление конденсатрра 5 выбрано значительно меньшим сопротивления резистора 15, который служит для замыкания цепи смещения варикапа 14-по постоянному току. Далее сигнал усиливается с помощью усилителя 2 с большим входным импедансом, затем с помощью синхронного детектора 9 выделяется емкостная COC тавляющая сигнала разбаланса. Постоянное напряжение i , вырабатываемое синхронным детектором 9, поступает на нуль-орган 16 и через развязывающие элементы б и 8 изменяет емкость варикапа 14 таким образом, чтобы сигнал DC на выходе синхронного детектора 9 был равен нулю. Условие Uj. 0 означает, что мост 20 сбалансирован по емкости и эталоннаяемкость конденсатора 13 {с j раина эквивалентной емкости (с) варикапа 14, т.е.

(2)

с с

-эт Аг плитуда переменного сигнала, поступающего на варикап 14, выбирается достаточно малой, чтобы измерения велись в линейном режиме. Активная несбалансированная часть сигнала выделяется синхронным детектором 10 и появляется на его выходе в виде по стоянного напряжения UQ . Вследствие малости амплитуды переменного сигнала на варикапе при условии Q « СО Сц (достаточно взять Q - 0,01 С ц напряжение UQ псюпорционашьно проводимости варикапа Q , а также и per и емкостному нагрузочному сопротивлению 1/60 Сц , т.е.

U i--ftUper ;;

где А - константа.

Напряжение UQ поступает на первый вxoд Vcилитeля 19 постоянного тока, на второй вход которого поступает с источника 18 опорное напряжение и , пропорциональное эталонной емкости, т. е. и - ос с зт 1/0 , где UQ COnet - напряжение источника 18 OL коэффициент пропорциональности. Разностный сигнал усиливается усилителам 19 и через развязырающий элемент 7 поступает на вход регулируемого усилителя 11, изменяя егоусиление и соответствейно (Jper так, чтобы UQ поддерживалось равным

с высокой

опорному напряжению (Jточностью, т.е.

U(, и обСэтио.

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 первыг- 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 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.