Устройство для измерения комплексной проводимости Советский патент 1985 года по МПК G01R27/02 

СО СО

сл

а

ю Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения и контроля электро- и радиотехнических компонент типа двухполюсНИКОВ, а также для измерения комплексной проводимости полупроводниковых структур (МДП, диоды, барьеры Шоттки, фотодиоды, транзисторы и др.) в зависимости от постоянного поляризующего напряжения и переменного тест-сигнала. Но основному авт, св. № 987535 из.вестно устройство, содержащее высокочастотный первый генератор, первым выходом соединед1ный 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, вывходом соединенного с входом первого широкополосного усилителя, выход которого соединен с первым входом второго балансного смесителя, выход которого соединен с входом первого селективного усилителя, вькодом соединенного с первыми входами первого и третьего синхронных детекторов, въкоды которых соединены с входами соответственно третьего и второго усилителей постоянного тока, выходы ко-. торых подсоединены к регистраторам проводимости и емкости соответственно первый выход выходного блока соединен также с первым выводом эталонного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом измерительного конденсатора, второй вывод которого соединен с земляной шиной, первый вывод измерительного конденсатора соединен с входом второ 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 которог соединен с первым входом первого уси лителя постоянного тока, второй вход которого подключен к первому источни ку опорного напряжения, а выход чере первую Я5 -цепь соединен с вторым вхо дом 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 которого подключен к входу второго (перестраиваемого) высокочастотного генератора, выход которого соединен С вторым входом первого, второго и третьего балансных смесителей l. 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 четвертый синхронный детектор, четвертый усилитель постоянного тока, второй источник опорного напряжения и вторая R5 -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 R5 -цепь соединен с вторым входом выходного блока, выполненного управляемым. Введение новых блоков и их связей позволяет полностью устранить погрешности, возникаюп(ие вследствие нестабильности амплитуды пересматриваемого ВЧ-генератора и выходного блокад а также вследствие нелинейности -.амплитудно-частотной характеристики широкополосных усилителей и ба- лансных смесителей. Это позволяет повысить точность измерения устройства. На чертеже приведена блок-схема устройства. Устройство содержит первый высокочастотный генератор 1, управляемый фазовращатель 2, первый балансный смеситель 3, фильтр 4 низких частот, управляемый выходной блок 5, блок 6 постоянных смещений, автоматический блок 7 управления, второй (престраиваемый) высокочастотный генератор 8 первый широкополосный усилитель 9, второй балансный смеситель 10, пер,вый селективный усилитель 11, первый синхронный детектор 12, третий усилитель 13 постоянного тока, третий синхронный детектор 14, второй усилитель 15 постоянного тока, второй широкополосный усилитель 16, третий балансный смеситель 17, второй селективный усилитель 18, второй синхронный детектор 19, первый усилитель 20 постоянного тока, первую RS-цепь 21, преобразователь 22 часто та-напряжение, измеряемый двухполюсник 23, переключатель 24 пределов, зталонный 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 R5-цепь 31. Первый генератор 1 первым выходо соединен с первым входом управляемо го фазовращателя 2, выход которого соединен с первым входом первого ба лансного смесителя 3, выход которог соединен с входом фильтра 4 низких частот, выход которого соединен с входом управляемого выходного блока 5, первый выход которого соединен с первьш вьшодом измеряемого двухполю ника 23, второй вывод которого соед нен с входом переключателя 24 преде лов, выход которого соединен с вход первого широкополосного усилителя 9 выкод которого соединен с первым вх дом второго балансного смесителя 10 выход которого соединен с.входом первого селективного усилителя 11, выходом соединенного с первыми входами первого 12 и третьего 14 синхронных детекторов, выходы которых соединены с входами соответственно третьего 13. .и второго 15 усилителей 1 34 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 об- щей 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 JC первыми входами второго 19 и четвертого 28 синхронных детекторов, 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 RS-цепь 21 подключен к второму входу управляемого фазовращателя 2, а выход четвертого усилителя 29 постоянного тока через вторую R5 -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 вькодного 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 S2 поступает через управляемый фазовращатель 2 на вход балансного смесителя 3, на второй вход которого поступает ВЧ-сигнал от пе -рестраиваемого ВЧ генератора О, частота которого может автоматически изменят ся от значения Q до о. После смеши вания в балансном смесителе 3 и прохождения через фильтр низких частот 4 на входе выходного блока 5 появляется сигнал, частота которого равна« и может автоматически изменяться от СЗц Qj - Л до 63 g О, -Я . Таким образом, на выходе выходного блока 5 в А появляется напряжение Ll«e e , где IA - амплитуда переменного сигнала, которая может i eryлироваться в выходном блоке 5; ( фаза этого сигнала, которая может регулироваться в управляемом фазовра щателе 2. Далее к точке А подключены два структурно-идентичных канала, один из которых является непосредственно измерительным, а второй исполь зуется в цепях автоподстройки амплитуды и автоподстройки фазы. Таким образом, сигнал с выхода выходного блока 5 поступает на эталонный ,1конденсатор 25 (С) с большой добротностью, при этом на измерительном конденсаторе 26 () вьщеляется напряжение,- пропор1Ц1ональное току, текущему через конденсатор 25 (С) так что напряжение, присутствующее на входе широкополосного усилителя 16 в точке В, равно Jut {( - С„,,А С вьрсода широкополосного усилителя 16 усиленный сигнал с частотой W О) W g поступает на вход балансного смесителя 17, на второй вход кот рого от перестраиваемого ВЧ-генерат ра 8 поступает напряжение постоянно амплитуды с частотой от (о до W .Си налы этих частьт смешиваются в балансном смесителе 17 и поступают н вход селективного усилителя 18, где происходит вццеление частоты П (Я Oj-a),w,-G}j). Таким образом, на вь1ходе селекти ного усилителя 18 появляется напряжение с частотой 51, равное int (41. kC e :A(j)e соответственно амплитуда и фаза сигнала на входе широкополосного, усилителя 16; множители А(ы) определяют амплитудно-частотную и фазочастотную 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 51. Синхронный детектор 19 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется постоянное напряжение, пропорциональное U.ftiul r- smitffl uCpCu. Это постоянное напряжение поступает на усилитель 20 постоянного тока, где сравнивается с опорным напряжением от источника 27 опорного напряжения, усиливается и через RS-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 Sin (Cf д ((.или(|)д1-вц|(, (1) так что набег фазы в усилительных трактах utf (w) 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 C06(tfftfKCf(oj)l или,учитывая (1), UftlV Это постоянное напряжение поступает на усилитель 29 постоянного тока, где сравнивается с опорным напряжением от источника 30, усиливается и черезRS -цепь 31 подводится к второму входу управляемого выходного блока 5, 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 1%, U.Hwl -con6t или, учитывая, что С и С, - пост янные величины, имеем на выходе синхронного детектора 28 UftMu) . (2) Гаким образом, нелинейность АЧХ усилительных и частотнопреобразова-, тельных блоков, а также нестабиль-;: ность амплитуды сигнала от перестраиваемого ВЧ-генератора 8 автоматичес ки компенсируется изменением амплиту 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„,д,) который.в зависимости от требуемой точности и диапазона измерений выбирается переключателем 24 пределов, возникает напряжение, пропорциональное току, текущему через образец, так что напряжение, присутствующее на входе широкополосного усилителя 9 в точке С, равно (г -G )с выхода широкополосного усилителя 9 усиленный сигнал с частотой со g поступает на вход балансного смесите ля 10, на второй вход которого от перестраиваемого ВЧ-генератора 8 поступает напряжение постоянной амплитуды с частотой от Wj доСО. Сигналы этих частот смешиваются в балансном смесителе 10 и поступают на вход селективного усилителя 11, где происходит вьзделение частоты S () (.). Таким образом, на выходе селективного усилителя 11 появляется напряжение с частотой , равное , ) 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 S2. Синхронный детектор 12 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе присутствует постоянное напряжение, равное U I M Cx4ifl tfAntfMV d co5ic| tbq)H. Синхронный детектор 14 настроен на активную компоненту сигнала, так что на его выходе имеем постоянное напряжение, равное: )СхС051Чч + ЛЧ1и)- 5 п1ЧА+йС(Ц. Так как каналы, содержащие усилитель 9, смеситель 10, усилитель 11 и усилитель 16, смеситель 17, усилитель 18, выполнены идентичными и, учитывая вьтолнение условий (1) и (2), при изменении частоты переменного тест-сигнала имеем на выходе синхронного детектора 12, согласно (3) , сигнал, пропорциональный Q)( /w , а на выходе синхронного детектора 14, согласно (4), сигнал, пропорциональный Сх, которые ерез усилители 13 и 15 постоянного тока поступают на внешние регистрирующие блоки. С выхода выходного блока 5 сигнал поступает на вход преобразователя 22 частота - напряжение, где происходит логарифмическое преобразование частоты О ц- Wg в напряжение, которое далее подается на один из входов двухкоординатного самописца для записи зависимостей Q,,/о-ЕпСЦилиСу (ы). Одновременно на выходе i происходит 1Щфровая индикация частоты, подаваемой 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 G /CJ-U и зависимости при фиксированной частоте, во втором случае С х-СО зависимости при фиксированном поляризующем напряжении. С выхода блока 6 постоянных смещений на,двухполюсник 23 поступает постоянное поляризующее напряжение, которое также может изменяться пилообразно для записи соответствующих зависимостей Q ,( /ы-и или , Одновременно на выходе U может подключаться

9

внешний цифровой вольтметр для точного измерения напряжения.

По сравнению с известным предлагаемое устройство для измерения и регистрации С-и обеспечивает возможность измерения на любой частоте в диапазоне OjSriOO кГц, возможность вести частотнозависимые измерения в автоматическом режиме с временем пе3356310

рестройки по частоте от 10 до 300 с при той же точности измерений.

Использование предлагаемого устройства для исследовательских целей 5 дает возможность регистрировать новые процессы, которые ввиду малых постоянных времени не могут быть зарегистрированы на измерительных устройст- вах с ручной перестройкой частоты.

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.