Устройство для коррекции характеристик нелинейных элементов Советский патент 1986 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для коррекции характеристик управления полевых транзисторов, варикапов и других нелинейных элементов с повышенной линейностью и температурной стабильностью в широком динамическом диапазоне коррекции, и может быть использовано в качестве образцовых управляемых электронным путем прово- димостей (активных или реактивных) при автоматизации измерений и других технологических процессов, а также при аттестации средств измерений параметров различных линейных и нелинейных электрических цепей и элементов.

Цель изобретения состоит в повышений точности линеаризации и термо- стабилизации характеристик управления нелинейных элементов с одновременным расширением диапазона их коррекции за Счет введения в устройство высокоэффективной отрицательной обратной связи на вспомогательной частоте, отличной от рабочих частот нелинейных элементов.

Теоретические основы сущности изобретения состоят в следующем.

Переходные характеристики в функции управляющего воздействия нелинейных элементов в общем виде могут быт аппроксимированы степенным полиномом:

Р() - Р

,зе, 1+ -1-) ,

о

где Р() функция, под обозначением Р которой понимают всевозможные физические параметры (ток, проводимость, емкость, индуктивность и т.д) а под аргументом - напряжения, пропорциональные воздействующим фак- торам (ток, напряжение, температура и т.д.), вызывающие изменения физических параметров в исследуемой точке;

-макс максимальное значение функ- ции, соответствующее определенному значению аргумента, например - 0;

(j - пороговое напряжение, характеризующее экстремальные значения исследуемых функций О или °° , напри- мер, для полевых транзисторов, это напряжение соответствует напряжению отсечки и i.w.sTc Р отором канал

лишается проводимости P(Ua,H,oTc- о), а для варикапов - контактной разности потенциалов , при компенсации внешним напряжением (U - ),

которой барьерная емкость условно устремляется в бесконечность;

У- - степень аппроксимирующего полинома, отличие которой от единицы является мерой нелинейнос.ти исследуемых характеристик, - в общем случае она может быть величиной как больше, так и меньше нуля, например, для некоторых типов полевых транзисторов se О,5-2,2 а для ва-

рикапов -(О,3-0,5).

Дпя отмеченн} 1х типов нелинейных элементов существует жесткая связь между знаками +, стоящими перед параметрами и эс. , а именно, знак +

в скобках соотношения (1) соответст вует характеристикам варикапов, а знак соответствует полевым транзисторам.

Представим соотношение (1) в виде

Р(Я К(Я ,

(2)

где К () - некоторая функция, нели- 30 нейно зависящая от управляющего воздействия и принимающая конечные значения

мвкс К () г

(1 +

- .

(3)

Преобразуем исследуемую нелинейную зависимость (1) в напряжение с помощью линейного преобразователя физических параметров, выходное напряжение которого можно записать следующим образок:

К„Р(

(М

где KQ - коэффициент преобразования физического параметра Р в напряжение, принимаюощй конечное постоянное значение.

Пусть в процессе работы устройства выполняется условие

(

(5)

где у - управляющее напряжение, действующее на входе устройства коррекции характеристик; К - коэффициент передачи сравнивающего блока устройства. Решая совместно уравнения (2), (4) и (5), получаем

Р (М К () () К,.

Отсюда

()

JJlLji.

1 +

KC

л (6)

Пренебрегая единицей в знаменателе соотношения (6) по сравнению с произведением коэффициентов КдК ( )Кр , получаем линейную связь между исследуемой характеристикой (1) и управляющим напряжением

Р () А

j

Из уравнения () следует, что еели выполнить условие независимости коэффициента преобразования физических параметров в напряжение К от влияния различного рода факторов, например, температуры, то и полученная с помощью предлагаемого устройства характеристика нелинейного элемента Р () оказывается не подверженной влиянию дестабилизирующих факторов, так как управляющее напряжение, являющееся исходным, считается абсолютно стабильным.

Предлагаемое устройство, основанное на использовании рассмотренного метода линеаризации и термостабилизации характеристик нелинейных элементов, осуществляет в соответствии с установленными соотношениями (4),(5) и (7) преобразование физических параметров Р () в напряжение -(4) с по- следующим сравнением получаемого напряжения с входным управляющим напряжением и образованием по цепи отрицательной обратной связи такого воздействия (5), при котором результирую- щие характеристики управления (7) нелинейных элементов оказываются линейными и абсолютно стабильными. .

s

0

15

20

jO jю

isQ.5 На фиг, 1 представлена структурная схема устройства для коррекции характеристик нелинейных элементов; на фиг, 2 - диаграммы, поясняющие принцип коррекции характеристик; на фиг, 3 - диаграммы, характеризующие расположение частот, на которых осуществляется коррекция характеристик, относительно диапазона рабочих частот нелинейных элементов; на фиг. 4 - пример выполнения управляющего фазовращателя; на фиг, 5 - векторная ди- ai paMMa, поясняющая принцип действия данного управляемого фазовращателя; на фиг. 6 - пример выполнения синхронного демодулятора; на фиг. 7 - временные диаграммы, поясняюш 1е принцип действия данного синхронного демодулятора.

Устройство (фиг. 1) для коррекции характеристик нелинейных элементов включает первую, вторую и третью фильтрующие системы 1, 2 и 3, корректирующие нелинейные элементы 4, операционный усилитель 5, генератор 6 переменного напряжения, управляемый фазовращатель 7, компаратор 8 и синхронный демодулятор 9, а также сравнивающий блок 10, суммирующий блок 11 с источником 12 компенсирующего напряжения и согласующий блок 13. Управление устройством осуществляется с помощью источника 14 управляющего напряжения, снабженного измерительным прибором 15 с целью получения возможности контроля параметров реализуемых характеристик, в основном, Т1ри первичной регулировке устройства, а также при его использовании в качестве функционального элемента, моделирующего требуемые характеристики управления. Посредством первой, второй и третьей клемм 16, 17 и 18 корректируемые нелинейные элементы 4 подключаются к устройству корреляции, а с помощью первой и второй выходных клемм 19 и 20, на которых и реализуются необходимые параметры характеристик, устройство может быть связано с рабочей цепью 21 различных функциональных установок, потребляющих нелинейные элементы с улучшенными (линеаризированными и термостабилизированными) техническими характеристиками. Следует отметить, что в ряде случаев могут быть использованы соответствующие цепи TaKiix установок и в качестве истрч-

НИКОВ управляющих напряжений, Hanpir мер, аналогичных источнику 14.

С функциональной точки зрения вто рая и третья фильтрующие системы 2 и 3 совместно с операционным усилите- лем 5, генератором 6 переменного напряжения, управляемым фазовращателем 7, компаратором 8 и синхронным демо- дулятором 9 образуют высокоточный преобразователь физических парамет ров Р () () нелинейных элементов 4 в напряжение. Первая, вторая и третья фильтрутощие системы 1, 2 и 3 позволя- ют осуществить достаточно эффективную развязку сигналов, формируемых генератором 6 переменного напряжения и рабочей цепью 21. В простейшем варианте реализации первая и тре- тья фильтрующие системы 1 и 3 представляют собой параллельные резонансные контуры, обладающие достаточно большими эквивалентными сопротивлениями для частоты переменного напряже- ния генератора 6. Вторая же фильтрующая система 2, реализованная на осно ве высокодобротного последовательного резонансного контура, имеет для той же частоты сигнала предельно малое эквивалентное сопротивление. С другой стороны, для рабочих частот нелинейных элементов 4, образуемых при их включении в рабочую цепь 21 функцио-v нальных установок, наоборот, первая и третья фильтрующие системы I и 3 обладают исключительно малыми эквивалентными сопротивлениями, а вторая фильтрующая система 2 - достаточно большим эквивалентным сопротивлением, что и позволяет существенно снизить взаимное влияние рабочей цепи 21 и генератора 6 переменного напряжения на работу устройства, в особенности при близком расположении частот дан- ных сигналов.

Рассматриваемые системы с точки зрения обработки сигналов, действующих в предлагаемом устройстве, могут выполнять различные функции фильтра- ции в зависимости от того - ниже или вьше частотного диапазона работы устройства (полосы пропускания; рабочей цепи 21) выбрана частота генератора 6 переменного напряжения, соот- ветственно f или f (фиг. 3) В простейшем варианте функцию режекции сигналов (коэффициент передачи этих

систем на частотах рабочей цепи, совпадающих с частотами f или f генератора 6, в пределе стремится к нулю), а вторая фильтрующая система

2- функцию полосового фильтра (коэффициент передачи на указанных частотах стремится к единице). В связи с этим первую и третью фильт1)ую.щие системы 1 и 3 можно было бы назвать режекторными фильтрами (РФ) (первым

и вторым) с частотой режекции fpptp fp или fpp а вторую филь- труюидую систему - полосовым фильтром (ПФ) с центральной частотой настройки fonop ff. и™ fОПф ff-

Однако на основании фиг. 3 нетрудно заключить что вьшолнение этих фильтрующих систем может быть и иным

Действительно, при выборе; частоты fj. генератора 6 ниже частоты нижнего среза fjj (нижней границы частотного диапазона рабочей цепи 21), аналогичные технические характеристики предлагаемого устройства могут быть полу чены и в случае, если первая и третья фильтрующие системы 1 и 3 будут реали зованы на основе фильтров верхних частот (ФВЧ) с частотой среза fcfBH- f . , а вторая фильтрующая система

3- на основе фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза ;

Аналогично, при выборе частоты f генератора 6 вьше частоты верхнего среза fg (верхней границы частотного диапазона рабочей цепи 21), первая и третья фильтрующие системы 1 и 3 могут представлять собой ФНЧ с частотами среза, г вторая . фид: ьтрующая система 2 - фильтр верхних; частот с частотой среза fp f/,.

При оговоренных условиях работы фильтрующих систем в составе преоб- разоват еля физических параметров напряжение на выходе операционного усилителя 5 можно представить следу ющим соотношением:

ФЬЧ

и...е, UjRoc.).) («

где Up, - переменное напряжение, формируемое генератором 6; Нд, - эквивалентное сопротивление третьей фильтрующей системы на частоте переменного напряжения генератора 6; Ч () 7

G (N) + jB (i - полные проводимости корректирующих нелинейных элементов 4; О (9) и В () - соответственно активная и реактивная составляющие полных проводимостей, что характерно для таких нелинейных элементов, как полевые трат{зисторы d ( ) и варикапы в (- ) о С () , Здесь W - круговая частота напряжения генератора 6; С () - емкость варикапа в функции управляющего воздействия.

С целью эффективного разделения составляюих полных проводимостей (8) в преобразователе физических парамет

-

ров использован синхронный демодуля

тор 9, позволяющий получить на своем выходе постоянные напряжения, пропорциональные активной или реактивной (емкост-ной) составляющей проводимости в зависимости от типа корректируемого нелинейного элемента 4. Для создания необходимого режима работы синхронного демодулятора 9 использован управляемый фазовращатель 7, обеспечивающий возможность установки соответствующего фазового сдвига (о или 90) опорного колебания относительно сигнала, несущего полезную информацию, и компаратор- 8. Последний позволяет в момент перехода через нуль синусоидального напряжения, получаемого на выходе управляемого фазовращателя 7, формировать на своем выходе прямоугольные импульсы, которые в дальнейшем служат для управления синхронным демодулятором 9.

Необходимость использования в устройстве синхронного демодулятора 9 обусловлена также тем, что данный вид демодуляторов представляет собой высокоизбирательную фильтрующую систему, позволяющую практически полностью исключить влияние мешающих сигналов (в данном случае сигналов внеЩ ней цепи 21, присутствующих на выхо- де операционного усилителя 5, несмотря на наличие фильтрующих систем 1-3) - и достичь высокой точности (не хуже + 0,1%) преобразования физических параметров в напряжение. Дополнительное назначение фильтрующих систем 1-3 в этом случае состоит и в том, чтобы защитить синхронный демодулятор 9 от влияния составляющих сигналов рабочей цепи 21, совпадающих с нечетными гармониками частоты переменного напряжения генератора 6.

-

О

20

30

35

40 5 При реализации с помощью предлагаемого устройства характеристик активных составляющих проводимостей в качестве нелинейных элементов 4 могут быть использованы полевые транзисторы в режиме управляемого сопротивления не только с р - 1 переходом, а и с изолированным затвором структуры МОП. Последние (фиг. 1) снабжаются дополнительными резисторами одинакового номинала, включаемыми между стоком и истоком, общий вьшод которых через третий резистор соединяется с подложкой. Данные резисторы создают на подложке половинное значение напряжения, действующего между стоком и истоком, точно так же, как и резисторы согласующего блока 13 на затворе корректируемого транзистора и, таким образом, существенно улучшают линейность выходных характеристик полевых транзисторов. В случае реализации характеристик управления, представляющих собой реактивную 5 (емкостную) составляющую проводимости, в качестве нелинейных элементов 4 следует использовать варикапы или другие аналогичные объекты, которые подключаются к устройству посредством второй и третьей клемм 17 и 8, при этом первая клемма 16, оставаясь свободной, не препятствует передаче через оба резистора согласующего блока 13 суммарного корректирующего напряжения с выхода суммирующего блока 11 на один из электродов варикапа.

Введение в устройство суммирующего блока 11 с источником 12 компенсирующего напряжения позволяет, с одной стороны, привести получаемые линеаризованные и термостабилизиро- ванные характеристики нелинейных элементов 4 к удобному для регистрации и отчета с помощью измерительного прибора 15 виду, при котором минимальным (нулевым) напряжением управления источника 14 соответствуют минимальные значения параметров реализуемых характеристик, а, с другой стороны, улучшить условия эксплуатации сравнивающего блока 10, связанные с уровнем синфазной составляющей напряжений, действующих на его входах, а также с уровнем выходных напряжений, образуемых в процессе работы устройства, и тем самым, расширить диапазон коррекции характеристик без заметного снижения их точ-

50

55

ности, в особенности, в области малых значений параметров,

Пример реализации управляемого фазовращателя 7, определяющего в значительной степени точность работы устройства, представлен на фиг. 4. В его состав входят операционный усилитель 22, первьш, второй и третий резисторы 23, 24 и 25 одинакового номинала, конденсатор 26 и пере- ключатель 27, причем первые выводы первого и второго резистора 23 и 24 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 22, неинверти- рующий вход которого подключен к од- ному из выводов резистора 25, конденсатора 26 и переключателя 27, а свободные выводы конденсатора 26 и переключателя 27 соединены с общей шиной фазовращателя, при этом вторые выводы первого и второго резисторов 23 и 25 являются входом 28 фазовращателя, а выход операционного усили- теЛя 22 с вторым вьгеодом второго резистора 24 - его выходом 29,

Принцип действия управляемого фазовращателя 7 можно пояснить с помощью векторной диаграммы, представленной на фиг. 5, для положения пе- рекл11эчателя 27, указанного на фиг. 4. В соответствии с фиг. 4 для вектора напряжения, действующего на выходе 29 фазовращателя 7, можно записать

U,(1

R

2Ь

)л.|

-

где и е,1 векторы напряжений, действующих на конденсаторе 26 и входе 28 фазовращателя; R и R,/, - номиналы первого и второго резисторов 23 и 24.

При условии, что R , последнее выражение приобретает вид

бык

- 2U, - и..

(9)

Если номиналы третьего резистора . и конденсатора С выбрать такими, чтобы вьтолнялось условие

,«с.- 1.

2.5 гь

(ю).

где частота, на которой работает фазовращатель 7 (соответствует частозО 5 0 5

о

5

0

5

0

5

те генератора 6 переменного напряжения), то векторы напряжений U, и U, действующих соответственно на третьем резисторе 25 и конденсаторе 26, будут строго равными и расположены под углом в 90°, а фазовый сдвиг С между

векторами напряжений й,,„ и IL,, , ,вх бых:

(.фиг. bj составит, в соответствии с

соотношением (), - 90.

При замыкании переключателя 27 (фиг. 4) вектор напряжения, действующего на конденсаторе 26. становится равным нулю (и О) и, как следует из соотношения (9) и векторной диаграммы (фиг. 5), вектор выходного напряжения и„.. отстает от вектора : Dcix-л

входного напряжения 11, на - 180 .

Таким образом, при соблюдении условия (10) в разомкнутом положении . переключателя 27 (фиг. 4) фазовый сдвиг между векторами IL и и„,,, со-

пг о гставляет 90 , а в замкнутом положе- НИИ - соответственно - 180. Требуемый для нормальной работы синхронного демодулятора 9 фазовый сдвиг, равный О или 90°, достигается за счет соответствующего подключения входов Kot-r- паратора 8 к выходу управляемого фа- зовр;ащателя 7.

Один из возможных вариантов построения синхронного демодулятора 9 представлен на фиг. 6. В его состав входят операционный усилитель 30, фильтр 3 нижних частот, переключатель 32, первый второй и третий резисторы 33, 34 и 35. Первые выводы резисторов 33, 34 и 35 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 30, неинвертирующий вход которого подключен к выходу переключателя 32,, а выход соединен с входом фильтра 31 нижних частот и вторым выводом первого резистора 33. Второй вывод второго резистора 34 и один из информационных входов переключателя 32 подключены к общей шине демодулятора, при этом второй информационный вход переключателя 32 и второй вывод третьего резистора 35 являются информационным входом 36 синхронного демодулятора, а управляющий вход переключателя 32 и выход фильтра 31 нижних частот его управляющим входом 37 и выходом 38 соответственно.

Математически работу синхронного демодулятора 9 можно описать следующим образом. При первом положении

11

переключателя 32, указанном на фиг. 6, коэффициент передачи операционного усилителя 30

и

ewxt

R

3

iS

где Ue, - напряжение на выходе операционного усилителя 30 при первом положении переключателя 32; U - напряжение на информационном входе 36 синхронного демодулятора 9; и . - номиналы первого и третьего резисторов 33 и 35.

Во втором положении переключателя 32 на входах операционного усилителя 30 действует одно и то же напряжение

и

g , поэтому

R

и

i-b

Вых,

«33 +

34

где и,

ewir-i

- напряжение на выходе операционного усилителя 30 при втором положении переключателя 32; R - номинал второго резистора 34.

Отсюда коэффициент передачи опера- ционного усилителя 30, соответствующий второму положению переключателя 32,

и

К

бЬ/х 2.

..

ех

Если при двух положениях переключателя 32 выполнить условие

К.

u;

1К

то можно получить двухполупериодный симметричный синхронный демодулятор с коэффициентом передачи +К, при этом величину второго резистора 34 вычисляют по формуле

33

:-4

При необходимости реализации 1К1 1, второй резистор 34 из схемы следует исключить,

С целью получения постоянной составляющей, пропорциональной ампли-

)

10

15

20

25

м

- ю

м

124286212

туде исследуемого сигнала, к выходу операционного усилителя 3, подключен фильтр 31 нижних частот.

Принцип действия синхронного демодулятора .поясним с помощью временных диаграмм, представленных на фиг. 7. При поступлении на информационный вход 36 синхронного демодулятора 9 сигнала в виде синусоиды (фиг. 7а), а на управляющий вход 37 - прямоугольного импульса (фиг. 7б), полученного с выхода компаратора 8, ера- батьшает переключатель 32 и на выходе операционного усилителя 30 образуется напряжение ,,. (фиг. 7в), повторяющее в соответствующем масштабе +К (12) положительную полуволну анализируемого сигнала. Когда выходной сигнал (фиг. 7а) приобретает отрицательную полуволну, а импульс на управляющем входе 37 синхронного демодулятора 9 исчезает, переключатель 32 примет положение, указанное на фиг. 6, и.коэффициент передачи операционного усилителя 30 станет -К (1I), что приведет к образованию на выходе операционного усилителя 30 инвертированного сигнала, действующего в рассматриваемьй момент времени на информационном входе 36 синхронного демодулятора 9. Таким образом, получаем на выходе операционного усилителя 30 модуль входного сигнала. Если фаза входного сигнала изменится по отношению к управляющему импульсу на угол, равный 90° (штрихованная линия на фиг. 7а), то на выходе -операционного усилителя 30 образуется- сигнал (штрихованная линия на фиг. 7в), среднее значение которого за период исследуемого сигнала станет равным нулю.

Фазовый сдвиг, равный 90 , как следует из (8), образуется при исследовании нелинейных элементов с реак- .тивным (емкостным) характером проводимости, и для того, чтобы выявить эту составляющую, необходимо осуществить сдвиг на +90° импульсного сигнала на управляющем входе 37 синхронного демодулятора 9. Эта операция как раз и осуществляется с помощью управляемого фазовращателя 7, представленного на фиг. 4.

Диаграммы, показанные на фиг. 7г,л демонстрируют влияние гармонических составляющих на работу синхронного демодулятора 9. На основе этих диаг)

35

40

5

50

55

рамм можно заключить, что четные - как гармоники (фиг. 7з-к), так и суб гармоники (фиг. 7г-) и их фазовые сдвиги на работе синхронного демодулятора 9 никак не сказываются (сред- неё значение напряжений этих сигналов равно нулю) . В то же время син - хронный демодулятор 9 реагирует на . нечетные гармоники (фиг. 7л,м), однако фильтрующие системы. Ь З, ис- пользуемые в устройстве исключают появление таковых на информационном входе 36 демодулятора 9 и, следовательно, на его выход не проходят.

Таким образом, с помощью предлага емого синхронного демодулятора 9 выделяется информация с частотой, соответствующей частоте опорного колебания, формируемого с помощью управляемого фазовращателя 7 и компарато- ра 8, т.е. с той частотой, на которой работает генератор 6 переменного напряжения.

Временные диаграммы (фиг. 7) работы синхронного демодулятора 9 пол- ностью определяют работу предлагаемого устройства в статическом режиме (при отсутствии управляющего воздействия или при управляющем воздействии, равном конечному значению , которое формируется источником 14 управляющего напряжения, показанном на фиг. 1). Отличия состоят лишь в том, что амплитуды сигналов, действующих в различных точках функцио- нальных блоков преобразователя физических параметров нелинейных элементов в напряжение (блоки 1-9 на фиг. 1) могут быть разными, при этом форма сигналов соответствует фиг. 7а

Принцип действия устройства поясним на основе нормированных характеристик нелинейных элементов, построенных в соответствии с выражением (1 и совмещенных с результирующими ха- рактеристиками управления. Графическая интерпретация этих характеристик представлена на фиг. 2 для возможных значений степени аппроксимирующего полинома, причем полевым транзистора соответствуют значения 0,5-2, а варикапам - . -0,5.

Пусть требуется осуществить коррекцию характеристик проводимости полевых транзисторов с отклонением реальных характеристик от идеальных в интервале значений 26- 0,,5-2. Тогда целесообразно принять в качестве

результирующей характеристику с ае 1 представляющую собой прямую, проходящую через точки с координатами Р(0) и Р(), что соответствует максимуму и минимуму проводимости канала. Для того, чтобы получить результирующую линейную характеристику управления

Р

f (, ) (пряЛ1С1КС

в координатах

мая ПТ на фиг. 2) необходимо на затвор полевого транзистора посредством суммирующего блока I1 подать совместно с управляющим и компенсирующее Напряжение + д U ПТ (полярность этого напряжения определяется типом канала корректирующего транзистора, а именно знак + соответствует каналу и- типа, а знак - соответствует каналу р типа полевых транзисторов с р -п- переходом) и выбрать коэффициент преобразователя физических параметров в напряжение, например, К 1 (4). В результате будет произведен параллель ный перенос идеальной характеристики

Р Р.

: -f

.с Э2 I в систему координат

Y

Aiaitf

у/, причем такая характеристика управления будет оптимальной при координации полевьк транзисторов с 0,5-2, так как максимальные отклонения корректирующего напряжения управления на затворе составят разные по модулю величины, а именно, - д и, ПТ щ)иа 0,5 и + ПТ при 3& г. Следз/ет отметить, что иногда параллельный перенос характеристик управления может оказаться излишним. Это относится, в первую очередь, к полевым транзисторам с р -Н -переходом, характеристики проводимости которых группируются с максимальными значениями параметров вблизи нуля управляющего воздействия. При этом требуемое управляющее напряжение нужной полярности может быть получено непосредственно от источника 14. В случае же коррекции характеристик полевых тран- знсторов структуры МОП с высоким по- рогок;ым напряжением (напряжением отсечки параллельный перенос характеристик, осуществляемьй с помощью источников 12 и 14 компенсирующего и управляющего напряжений, целесооб- разет, так как требуемое корректирующее напряжение на затворе может оказаться настолько большим, что превысит допу15

стимый размах выходного напряжения -сравнивающего блока 10 и, следовательно, вызовет дополнительные погрешности в устройстве.

При коррекции более сложных нели- .нейных характеристик, к которым можно отнести вольтемкостные характеристики варикапов, целесообразно поступить следующим образом.

Подвергаемый коррекции участок ха- рактеристики необходимо аппроксимировать такой прямой (например, щтрихова линия для кривой с -0,5 на фиг. 2) которая на своем протяжении образует равные по модулю максимальные от- клонения корректирующих напряжений управления +& Ц(,р при этом может оказаться, что угловой коэффициент данной прямой не совпадет с коэффициентом преобразования преобразовате- ля физических параметров в напряжение, например К 1, и возникнет необходимость в изменении величины последнего. Однако такая операция является не сложной и.-ее нетрудно выполнить, например,- путем регулировки номинала второго резистора 34 синхронного демодулятора 9 (фиг. б) В дальнейшем производятся аналогичные построения, связанные с парал- лельным переносом аппроксимирующих

прямых в систему отсчета управляющих

р напряжений --- f ( ) (прямые

В на фиг. 2), причем пороговому зна- чению управляющего напряжения ц,- будет соответствовать нижняя граница, например, минимум параметра (емкости ) корректируемой характеристики

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Первоначально размыкают цепь отрицательной обратной связи, например, между выходом сравнивающего блока 10 и первым входом суммирующе- го блока 11, и производят регулировку преобразователя физических параметров в напряжение. С этой целью отличают рабочую цепь 21 от устройства, соединяют вторую выходную клемму 20 с общей шиной и, при необходимости, на управляющий электрод нелинейного элемента 4 подают исходное смещение от источника 12 компенсирующего напряжения или от источника 14 управляющего напряжения посредством суммирующего и согласующего блоков 11 и 13.

:-..;16

в зависимости от вида корректируемых характеристик нелинейных элементов управляемый фазовращатель 7 устанавливают в режим преобразования активной или реактивной составляющей, при этом в соответствии с выражением (8) на выходе синхронного демодулятора 9 появится постоянное напряжение требуемой полярности. После этого производят настройку второй и третьей фильтрующих систем 2 и 3 по максимуму напряжения на выходе синхронного демодулятора 9, что будет соответствовать условию минимума и максимума эквивалентных активньгх сопротивлений этих систем. Для настройки первой фильтрующей системы 1 необходимо управляемый фазовращатель 7 перевести

в режим преобразования реактивной составляющей, соединив первую выходную клемму 19 с Общей шиной устройства, и зафиксировать регулирующий орган первой фильтрующей системы 1 в таком положении, при котором напряжение на выходе синхронного демодулятора 9 будет соответствовать нулю при коррекции характеристик нелинейных элементов с активной составляюще проводимости или минимуму в случае коррекции нелинейных элементов с реактивным характером проводимости. Пр этом будет выполнено условие полной компенсации реактивных составляющих и, следовательно, реализации максимального эквивалентного сопротивлени в первой фильтрующей системе 1 на частоте генератора 6 переменного напряжения.

Затем устройство приводят в нормальное рабочее состояние, т.е. выход сравнивающего блока 10 соединяют с первым входом суммирующего блока 11 и тем самым восстанавливают цепь отрицательной обратной связи. Управляемый фазовращатель 7 переводят в соответствующий режим преобразования физических параметров; а первую выходную клемму 19 отсоединяют от общей шины устройства. Вторая же вькод- ная клемма 20 остается по-прежнему соединенной с общей шиной устройства Для контроля параметров реализуемых

характеристик целесообразно к выходным клеммам 19 и 20 вместо рабочей цепи 21 подключить измеритель полных проводимостей соответствующего класс точности, позволяющий раздельно измерять активную и реактивную состав-

17

ляющие проводимости. При этом следует учесть, 4TQ частотный диапазон предлагаемого измерителя, так же, как и рабочей цепи 2, должен быть ограничен частотами нижнего и верх-

среза f

f. (Ф:

«г.

3)

при использовании генератора 6 переменного напряжения с частотой f, выбранной ниже частоты нижнего среза f. Если же рабочая цепь 21 или используемая вместо нее контрольная аппаратура предназначена для работы в полосе частот, заключенной между нулем (включая работу на постоянном токе) и частотой f , то частоту генератора 6 переменного напряжения, на которой осуществляется преобразование физических параметров нелинейных злемен- тов в напряжение, необходимо выбрать равной f и расположить на частот- ной оси вьпае частоты f (фиг, 3).

В дальнейшем (с момента восстанов ления цепи отрицательной обратной связи) устройство работает в динами-

ческом режиме, при котором: образуемое 2:5 велич:ины максимального отклонения

на выходе синхронного демодулятора 9. напряжение, пропорциональное величи не физических параметров корректнру- емых характеристик нелинейных элемен тов 4, непрерьгоно сравниваясь с уп- равляющим напряжением источника 14 в сравнивающем блоке 10, образует кор ректирующее напряжение, которое, суммируясь в определенном масштабе с утг равляющим и компенсирующим напряжекиями источником 14 и 12 в суммирующем блоке 11, через элементы согласующего блока 13 воздействует на управляющий электрод нелинейного элемента 4, вызьшая изменение параметров послед- него до тех пор, пока выходные напряжения синхронного демодулятора 9 и источника 14 управляющего напряжения не станут равными.

Для того, чтобы реализовать требу- емый динамический режим работы устройства, необходимо выполнить соот™ ветствующие начальнь е условия, кото- рые сводятся к следующему Управляю - щее напряжение источника 14, контро- лируемое измерительным прибором 15, устанавливают, например, равньпу нулю при коррекции характерист}{к полевых транзисторов или равным %,,, при коррекции характеристик варикапов (фиг, 2), а компенсирующее напряжение источника 12 выбирают в соответ- ствии с типом корректируемого нели1242862

нейного элемента. Например, при коррекции характеристик проводимости полевых транзисторов компенсирующее напряжение устанавливают определенной полярности с учетом типа канала, а именно ПТ (фиг. 2), которое соответствует напряжению отсечки при коррекции вольтемкостных характеристик варикапов это напряже ние выбирают равным - , Практически данные условия достигаются путем регулировки компенсирующего напряжения источника 12 до такой величины, при которой выходное напряжение сравнивающего блока 10 ке станет равным нулю в первом случае и равным дЦ, В во втором.

jrrlf

Затем управляющее напряжение источника 14 устанавливают равным по абсолютной величине напряжению компенсации источника 12 (- /Д U ПТ/) при коррекции характеристик полевых транзисторов, и равным по модулю сумме напряжения компенсации и расчетной

корре:; тирующего напряжения управления ( у / л -J в / + ) при коррекции характеристик варикапов, и изменяют коэффициент передачи преобразователя физических параметров нелинейных элементов в напряжение до получения нулевых напряжений на выходе суммирующего блока 1 в обоих случаях, при этом, если масштабные коэффициенты по всем трем входам суммирующего блока П являются единичными, то на выходе сравнивающего блока 10 должны образовьшаться напряжения соответст- EGinio равные О и - AlL В.

Операция регулировки коэффициента преобразования преобразователя физи- ческ:г1х параметров в напряжение может быть осуществлена, например, путем изме:че.ния эквивалентного сопротивления третьей фильтрующей системы 3 или :::утем изменения величины второго резистора 34, влияющего на коэффициент передачи синхронного демодулято ра 9, что лучше.

У.г;ювые коэффициенты получаемых таким образом результирующ гх характеристик управления

i%

f

полезых транзисторов сплошная линия с индексом ПТ) н варикапов (штриховая Л1ГИИЯ с индексом В) , как правило, не ;: Л1 :адают между собой, а образуют

1912

некоторый угол с/(фиг. 2). Маловйроят- ным является и то, что один из этих коэффициентов может совпасть с требу - емым значением К,(7).

В ряде случаев, в особенности при использовании предлагаемого устройства в цифровых измерительных системах в качестве управляемых проводимостей, требуется сохранять определенный мае-

штаб преобразования физических пара- О тов, индицируемых измерительным приметров в напряжение, независимо от бором 15-.

природы физических величин, кратный,

например, десяти. Для соблюдения

таких условий целесообразно поступить

следующим образом. В рабочем диапазо- 5 точностью коррекции (линеаризации и

не изменения параметров корректируе- термостабилизации) в широком динами-

мых нелинейных элементов (параметры ческом диапазоне использования харакТаким образом, предлагаемое устройство характеризуется повьшенной

измеряют соответствующим измерителем подключаемым к устройству вместо рабочей цепи 21), устанавливают такое управляющее напряжение источника 14, которое соответствует пределу цифро- вой шкалы измерительного прибора 15, например, 1 В, 10В или другому значению, кратному 10, и изменяют ко- эффициент преобразования преобразователя физических параметров нелинейных элементов в напряжение до получения на цифровом табло измерителя

рабочей цепи 21 соответствующего зна-30 подключения корректируемых элементов, чения физического параметра в требуемом масштабе. Образующееся при этом несоответствие в установлении начальных условий работы устройства ликвидируется описанным способом путем )5 изменения коэффициента передачи по третьему входу суммирующего блока 11. В итоге результирующие характеристики управления будут приведены к единому управляющему напряжению независимо 40 от типа корректируемых нелинейных элементов и примут вид прямой, выходящей из начала координат (сплошная прямая линия с индексом ПТ, В на

первые две из которых соединены соответственно с первым и вторым выходами согласующего блока, отличающееся тем, что,- с целью повышения точности линеаризации и термо- стабилизации характеристик управления с одновременным расширением диапазона их коррекции, в него введены последовательно соединенные генератор переменного напряжения, управляемый фазовращатель и компаратор, второй вход которого подключен к общей шине устройства, и последовательно соединенные первая, вторая и третья фильтфиг. 2), а коэффициент К,(7) преобра-45 рующие системы, синхронный демодуля тор, сравнивающий и суммирующий блоки, причем выход суммирующего блока

зователя физических параметров в напряжение будет кратен 10.

После выполнения рассмотренных начальных условий устройство работает в непрерывном динамическом режиме и зо всякое отклонение, в том числе и вызванное изменением температуры окружающей среды, реальных характеристик от идеализированной прямой, формируе-

соединен с входом согласующего блока, вторые входы сравнивающего и суммирующего блоков подключены соответственно к выходам источников управляющего и компенсирующего напряжений, а третий вход суммирующего блока соединен с вторым входом сравнивающего

мой во временной области под влиянием 55 блока, точка соединения первой и втоуправляющего напряжения, сопровождается, как описано вьщ1е, образованием по цепи отрицательной обратной связи

20

такого корректирующего воздействия, пропорционального разности напряжений между мгновенными значениями управляющего напряжения и напряжением преобразованных реальных характеристик в соответствующих точках, которое не обходимо для получения линеаризованных и термостабилизированных характеристик управления нелинейных элемен-

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется повьшенной

теристик управления нелинейных элементов .

Формула изобретения

Устройство для коррекции характеристик нелинейных элементов, включающее параллельно соединенные источник управляющего напряжения и измерительный .прибор, источник компенсирующего напряжения, операционный усилитель, согласующий блок и три клеммы для

подключения корректируемых элементов,

первые две из которых соединены соответственно с первым и вторым выходами согласующего блока, отличающееся тем, что,- с целью повышения точности линеаризации и термо- стабилизации характеристик управления с одновременным расширением диапазона их коррекции, в него введены последовательно соединенные генератор переменного напряжения, управляемый фазовращатель и компаратор, второй вход которого подключен к общей шине устройства, и последовательно соединенные первая, вторая и третья фильтрующие системы, синхронный демодулясоединен с входом согласующего блока, вторые входы сравнивающего и суммирующего блоков подключены соответственно к выходам источников управляющего и компенсирующего напряжений, а третий вход суммирующего блока соединен с вторым входом сравнивающего

рой фильтрующих систем подключена к второй клемме для подключения корректируемых элементов, точка соединения

211

второй и третьей фильтрующих систем подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинверти- рующий вход которого соединен с вы ходом генератора переменного напряжения, а выход операционного усилителя подключен к точке соединения третьей фильтрующей системы и информационного входа синхронного демодулятора, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, а свободные вы

24286222

воды первой фильтрующей системы и третьей клеммы для подключения коррек-- тируемых элементов Я вляются соответственно первой и второй выходными клем-

5 мами устройства, причем внешняя рабочая цепь, подключаемая к выходным клеммам устройства,должна иметь низкое выходное сопротивление по переменному току со стороны второй выход- 10 ной клеммы устройства относительно общей шины устройства.

Изобретение относится к устройствам для коррекции характеристик управления полевых транзисторов, варикапов и других нелинейньпс элементов (НЭ) с повьпленной нелинейностью и температурной стабильностью в широком динамическом диапазоне коррекции и может быть использовано в качестве образцовых, управляемых электронным путем проводимостей при автоматизации измерений и других технологических процессов. Цель изобретения - повышение точности линеаризации и термоста- бильности характе ристик управления НЭ и расширение диапазона их коррекции обеспечивается введением в устройство высокоэффективной отрицательной обратной связи.на вспомогательной частоте, отличной от рабочих частот НЭ. При этом в устройство введены фильтрующие системы 1, 2 и 3, генератор 6 переменного напряжения, управляемый фазовр.ащатель 7, компара тор 8, синхронный демодулятор 9, сравниваюш;ий блок ГО, суммирующий блок 11 с источником 12. Устройство также.содержит-корректируемые нелинейные элементы 4, операционный усилитель 5, согласуюш;ий блок 13, источник 14 управляющего напряжения, измерительный прибор 15, клеммы 16-20. В описании изобретения приводится теоретическое обоснование и математические расчеты, положенные в основу изобретения. 7 ил. i (Л f rOi ±j L.

-AUymnr

0 30 20 Ю -Ли/с8

О уо8

yfSj

i l//f/7r

А

О fr fn

фиг.З

фиг. г

h fL f

f