Способ определения динамических параметров активных четырехполюсников и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01R27/28 

ФиеЛ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров обобщенных динамических характеристик активных четырехполюсников, например биполярных, полевых транзисторов и интегральных микросхем, применяемых в генераторах,усилителях и импульсных устройствах.

Цель изобретения - повышение точности и производительности измерений пара- метров активных четырехполюсников.

Повышение точности измерений обеспечивается известным свойством автогенераторов, которое состоит в потенциально высокой чувствительности их характери- стик к изменению параметра в окрестности границы, разделяющей области устойчивости и колебаний.

Повышение производительности измерений обеспечивается путем замены се- мейств входных и выходных характеристик и четырех малосигнальных параметров, измеряемых на низких и высоких частотах, одной обобщенной характеристикой, которая устанавливает взаимосвязь значения отрицательной проводимости, вносимой в систему активным четырехполюсником, с его основными параметрами при заданном положении рабочей точки: крутизной S, определяемой по семейству входных характе- ристик, и внутренним сопротивлением RI, определяемым по семейству выходных характеристик. Все указанные положения справедливы и для измерения эквивалентной емкости Сэ четырехполюсника, для чего согласно способу в колебательной системе возбуждают колебания на предельно высоких частотах, на которых Сэ играет определяющую роль.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эквивалентная схема генератора на полевом транзисторе; на фиг, 3 - графики, поясняющие сущность способа измерения.

Устройство содержит буферный каскад 1, к выходу которого подключены измеритель 2 амплитуды колебаний и частотомер 3, к входу буферного каскада подключен омметр 4, при этом первый вывод контактора 5 подключен к общей шине и отрицательно- му выводу первого регулируемого источника 6 напряжения смещения, второй регулируемый источник 7 напряжения смещения, последовательно соединенные калиброванные катушку 8 индуктивности и конденсатор 9, катушку 10 индуктивности обратной связи, первую 11, вторую 12 и третью клеммы 13 для подключения измеряемого активного четырехполюсника, а также последовательно соединенные

разделительный конденсатор 14 и регулируемый резистор 15.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

Рассмотрим схему генератора на активном четырехполюснике, например на полевом транзисторе, с выходной емкостью С0 (фиг. 2). На схеме также показаны регулируемые потери: Rc - вносимые в цепь энергоемкого элемента, например конденсатора Ск, и Ra.c - сопротивление нагрузки, вносимое в колебательную систему. Известно, что ток активного четырехполюсника есть функция входного и выходного напряжений i y( ивых).

Будем считать, что рабочая точка находится в активной области семейств вольт- амперных характеристик, что соответствует режиму класса А или режиму с малой нелинейностью.

Для начальной стадии процесса мягкого возбуждения автоколебаний аппроксимируют характеристику четырехполюсника линейной функцией

1 Мвых,(1)

l SUBx+

RI

UE

где S, RI - крутизна и внутреннее сопротивление активного четырехполюсника.

Тогда запишем соответствующую линеаризованную систему дифференциальных уравнений для переменных токов и напряжений в схеме по фиг. 2 в нормальной форме , которая в развернутой форме имеет вид

dt

dllc

р Uebix

(2)

1

dtCRc

+ SffRi dtCo

Uc

1

CRc

1 C0Rc

UE

Uc +

j3SRiRc-(Ri+Rc)

URiRc

L)

где I ft I функция передачи напряжения цепью положительной обратной связи.

Используя матрицу А из коэффициентов системы (2), получим характеристический многочлен матрицы det |A-pE , который представим в виде кубического многочлена

а0р3+ аф2+ а2р + -(3)

с коэффициентами

ao CoCkLkRa.c.RiRc;

.c.RiLk+LkCk Ra.c.Ri (1-/3SRC) + +Rc(Ra.c.+Ri );

.c. RI (CRc+SjS Lk) + Lk(Ra.c.+ RI ):

.c.Ri.(4)

Выбрав параметры колебательного контура (фиг. 2) из условия Со Ck, рассмотрим схемы генератора: низкочастотную эквивалентную схему генератора, в которой выражения для ai получают из (4) с помощью предельных переходов Со, RC . В результате запишем характеристическое уравнение низкочастотной схемы в виде LkCkRa.cR p2+Lk Ri(.c) +

+Ra. + RacRr 0(5)

Следовательно, низкочастотная схема описывается уравнением второго порядка (5), а условие возбуждения или уравнение границы колебательной неустойчивости получают в результате приравнивания нулю коэффициента при первой производной: .c(1-ЈSRi)+ .(6)

Из уравнения (6) следует, что при возбуждении низкочастотных колебаний вносимое сопротивление потерь Ra.c с параметрами активного четырехполюсника связано соотношением

(7)

и, значит, отрицательное динамическое сопротивление , определяемое согласно закону энергетического баланса из условия |Rg 1 Ra.c, может быть рассчитано из равенства

(-) - RI

Ra

91 -0SRi

В соответствии с теорией колебаний

(8)

и

для систем с одной степенью свободы при выполнении (6) формулу для определения квадрата нижней частоты колебаний генератора можно получить из (5), разделив свободный член на коэффициент при р :

1(9)

Тмин -

1макс

(11)

10

20

25

30

35

и при выполнении условия существенно превышает (9). Разделив (9) на (11), запишем формулу для определения С0:

&и)

Теперь рассмотрим физические процессы, происходящие в схеме генератора, при регулировке активных сопротивлений Rc и Ra.c. Пусть вначале сопротивления Rc, Ra.. При этом сопротивление Ra.c шунтирует 15 контур (фиг. 2) и схема является устойчивой. Увеличение Ra.c до некоторого порогового значения приводит к возбуждению низкочастотных автоколебаний, причем рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, которая проходит через точку пересечения соответствующей вольт-амперной характеристики с нагрузочной прямой в статическом режиме, и при выполнении неравенства / S RI 1 (8), соответствующего возбуждению схемы, имеет отрицательный наклон или отрицательную динамическую крутизну:

Sg(-} -1/Ra.c(13)

Подставляя в (13) выражение (7) или (8), получим формулы для определения отрицательной динамической крутизны -Sg или отрицательной динамической проводимости Gg , справедливые для автоколебаний с малой амплитудой, соответствующей окрестности границы колебательной неустойчивости

GgO .

Ri

(14);

Изобретение может быть использовано для косвенного измерения динамических параметров активных четырехполюсников (АЧП), характеризующих их усилительные и частотные свойства. Цель изобретения - повышение точности и производительности измерения - достигается в результате использования потенциально высокой чувствительности характеристик автогенераторов на границе устойчивости генерации. Способ осуществляют путем мягкого возбуждения колебаний с минимальной частотой fMniH и регулировки потерь в колебательной системе до значения, равного обратной величине крутизны динамической характеристики АЧП, взятой с обратным знаком. Затем возбуждают колебания с максимальной частотой fMaKc Выходную емкость АЧП определяют как произведение квадрата отношения Гмин и Гмакс на емкость конденсатора колебательной системы. Для регулировки потерь в устройство введены последовательно соединенные разделительный конденсатор 14 и регулируемый резистор 15, а также контактор 5 и омметр 4. Для обеспечения работоспособности АЧП используются первый 6 и второй 7 регулируемые источники напряжения смещения. Кроме того, устройство содержит калиброванные конденсатор 9, катушку 8 индуктивности и катушку 10 индуктивной обратной связи. Измерение параметров производится через буферный каскад 1 измерителем 2 амплитуды колебаний и частотомером 3. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. fe Os N Ю Јь Ю

Рассмотрим режим возбуждения автоколебаний на высшей частоте диапазоне генератора, при возбуждении которых сопротивление RC приобретает весьма большие значения. Пренебрегая в (4) слагаемыми, не содержащими Rc, получим многочлен второго порядка, который после деления на Rc, Ск имеет вид

C0LkRa.cRip2+ L(Ra.c+ Ri - -ЈSRa.cRi)p+ Ra..(10)

Таким образом, условие возбуждения высокочастотных колебаний и формула для определения отрицательного дифференциального сопротивления, вносимого в колебательную систему на высоких частотах, получаемые в результате приравнивания нулю коэффициента при р (10), идентичны выражениям (7) и (8). При этом частота возбуждающихся колебаний

Частота этих низкочастотных колебаний определяется формулой (9). Если теперь увеличивать сопротивление Rc, 1 о общие потери в схеме возрастут, автоколебания с частотой тмин сорвутся и схема станет

устойчивой. Если продолжать увеличивать сопротивление Rc, то в ветвях схемы начнется перераспределение токов и собственная частота контура (фиг. 2) возрастет. В частности, ток, протекающий через конденсатор Си, уменьшится из-за увеличения сопротивления Rc, а ток через емкость С0 возрастет из-за уменьшения реактивного сопротивления Х0 1 / соСо, связанного с ростом частоты (о. Уменьшение тока с приведет к соответст- ствующему быстрому уменьшению мощности потерь Pn Ic Rc. При втором пороговом значении Rc, соответствующем высокочастотному участку границы колебательной неустойчивости, в схеме вновь установится

энергетический баланс и возбудятся автоколебания с частотой Тмакс (11).

Из приведенного следует, что, выполнив измерения Сд(14)для различных точек пересечения линии нагрузки со статическими вольт-амперными характеристиками, получим функцию

Ggtt(Uy)

di dlly

(15)

где Uy - некоторое управляющее напряже ние, являющееся функцией входного и выходного напряжений активного четырехполюсника,

Теперь, используя (15), можно получить выражение для обобщенной характеристики активного четырехполюсника в динамическом режиме

/Gg(-)(Uy)dUy.

(16)

Для выяснения вида этой характеристики отметим, что, выбрав статический коэффициентусиленияактивногочетырехполюсника /л SRi и /3 из условия ,, которое легко реализуется в практических случаях, сможем из (14) записать приближенное равенство

&- рр.

(17)

Зависимость крутизны S(Uy) для статических входных характеристик активного четырехполюсника с хорошей точностью аппроксимируется параболой вида

S(Uy)Si-SsU2,(18)

имеющей максимум в точке перегиба входной характеристики.

Тогда, проинтегрировав (16) с учетом (17), получим уравнение обойденной динамической характеристики активного четырехполюсника

i(Uy) -//(Si-S3Uy2)dUy lp-/3Si+ f Uy3,

(19)

где Ip - значение тока в рабочей точке, определяемое как значение постоянной интегрирования.

Следовательно, обобщенная динамическая характеристика активного четырехполюсника в активной области имеет вид кубической параболы, типичный для характеристик приборов с отрицательной динамической проводимостью,

Для пояснения способа измерений выполним построение границы колебательной неустойчивости (ГКН) схемы генератора на

фиг, 2, С этой целью получим уравнение низкочастотного участка границы, приравняв нулю 32 (4):

Ra c U(S0Ri-1)-RiCKR7 (20)

Уравнение (20) задает гиперболу, левая ветвь которой, соответствующая неотрицательным значениям Ra.c, RC, показана на фиг. 3.

Уравнение высокочастотного участка границы неустойчивости получим, приравняв нулю ai (4):

Ra-c U()-R|CKRc- (21) Уравнение (21) задает гиперболу, правая ветвь которой, соответствующая неотрицательным значениям Ra.c, Re, показана

на фиг. 3.

Условия устойчивости ai 0 (i 03) и

An - 132-азао выполняются в заштрихованной области, ограниченной границей неустойчивости на фиг. За.

Рассмотрим движение изображающей точки схемы при регулировке Ra.c, Re. Пусть начальные значения Ra с, . Увеличение значения Ra.c до выхода точки на участок границы устойчивости при соответствует возбуждению низкочастотных колебаний (9) с минимальной амплитудой, причем отрицательная динамическая проводимость определяется по формуле (14). Если теперь увеличивать сопротивление Rc до выхода

изображающей точки на высокочастотный участок границы колебательной неустойчивости (фиг. За), то в схеме возбудятся высокочастотные колебания с минимальной амплитудой, частота которых определяется

формулой (11).

Так, в частности, если после измерения Тмин при минимальной амплитуде колебаний, соответствующей расположению изображающей точки схемы (фиг. 2) в точке TI

(фиг. 3), разорвать цепь конденсатора 9 С« в контуре на фиг. 2, что равносильно предельному переходу Rc - °°, то точка переместится в положение Тз (фиг. 3). Следовательно, замыканием и размыканием контактора 5 в

колебательном контуре (фиг. 1) можно осуществить в первом случае возбуждение автоколебаний с минимальной амплитудой на частоте fMMH, а, во втором случае - автоколебаний с минимальной амплитудой на частоrefi.

Устройство работает следующим образом.

После подключения измеряемого активного четырехполюсника к клеммам 11-13

(фиг. 1) контактор 5 замыкают, регулируемый резистор 15 Ra с закорачивают и с помощью регулировки источников 6 и 7 питания DBX, ивых устанавливают режим измерений по постоянному току. Затем Ris регулируют до установления в схеме стационарных автоколебаний с минимальной амплитудой на частоте (9), определяемой параметрами | Ск-контура. Переменное напряжение через буферный каскад 1 поступает на вход измерителя 2 амплитуды колебаний, с помощью которого индицируется установление стационарных колебаний с минимальной амплитудой, а также на вход частотомера 3, используемого для регистрации частоты fMMH колебаний. Затем с помощью омметра 4 измеряют значение Ra с, которое используют для расчета отрицательной динамической проводимости измеряемого активного четырехполюсника по формуле (14).

После этого контактор 5 размыкают, что соответствует перемещению изображающей точки Т из положения Тч в положение Та (фиг. За) и возбуждению высокочастотных автоколебаний с минимальной амплитудой, устанавливаемой при необходимости с помощью резистора 15 Ra.c. Затем частоту макс переменного напряжения измеряют частотомером 3, после чего совместно с тмин и значением емкости калибровочного конденсатора 9 Ск (фиг. 1) используют для расчета Со по формуле (12). Затем цикл измерения повторяют при новых значениях UBX, Увых.

В результате выполнения описанных измерений получают обобщенную характеристику активного четырехполюсника в виде зависимостей динамической отрицательной крутизны от .управляющего напряжения G y(Uy) и Сэ у (Uy), первая из которых характеризует усилительные, а вторая - частотные свойства активного четырехполюсника. Измерения, выполненные в окрестности границы колебательной неустойчивости, обладают высокой точностью, поскольку в этом режиме чувствительность параметров колебаний систем к изменению параметров (в данном случае к регулировке Ra.c) является наивысшей.

Формула изобретения

измерений, измеряют минимальную и максимальную частоты при минимальной амплитуде автоколебаний, измеряют значение активного сопротивления, вносимого в колебательную систему по переменному току

и соответствующего автоколебаниям с минимальными частотой и амплитудой, а затем определяют динамические параметры активного четырехполюсника по формулам

с (0 п I 1 - Т ,г ( Л - Г t мин 2

Sg (иу)7-Сэ)-а)

где Sg , Сэ - крутизна динамической характеристики и эквивалентная емкость четырехполюсника;

Ra с - значение активного сопротивления, вносимого в колебательную систему по переменному току;

Ск значение емкости колебательной системы;

fMHH, fMaKc минимальная и максимальная частоты автоколебаний с минимальной амплитудой;

Uy - значение управляющего напряжения, зависящего от напряжений смещения

на входе и выходе четырехполюсника.

которых соединена с общей шиной, два регулируемых источника напряжения смещения, один вывод которых соединен с общей шиной, при этом второй вывод первого регулируемого источника напряжения смещения через калиброванную катушку индуктивности подключен к первому выводу калиброванного конденсатора и первой клемме для подключения измеряемого четырехполюсника, вторая клемма для подключения измеряемого четырехполюсника через катушку индуктивной обратной связи соединена с вторым выводом второго регулируемого источника напряжения смещения, а также буферный каскад, к выходу

которого подключены измеритель амплитуды колебаний и частотомер, отличающееся тем, что в него введены контактор, омметр и последовательно соединенные разделительный конденсатор и регулируемый резистор, причем первый вывод контактора подключен к второму выводу калиброванного конденсатора, второй вывод разделительного конденсатора подключен к первой клемме для подключения

измеряемого четырехполюсника, а первый вывод разделительного конденсатора соединен с входом буферного каскада и пера

flSRi-1

А.Огар

О L flSRj-j С Hi

Фиг.з

Составитель И.Михалев Техред М.Моргентал

вым выводом омметра, при этом вторые выводы омметра, регулируемого резистора и контактора подключены к общей шине.

Со

U

-J

Фаг. 2

Rj(C+Co) Re C(flSRi-1)

Корректор И.Муска