1
Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения добротности и емкости варикапов в параллельной схеме замещения и может быть использовано при технологическом контроле параметров полупроводниковых приборов и других объектов с неблагоприятными соотношениями .составляющих полных проводимостей.
Известное устройство для измерения добротности и емкости полупроводниковых приборов, основанное на компенсации вносимых потерь в измерительном контуре при его ударном возбуждении и содержсццее измерительный контур с образцовым конденсатором переменной емкости и образцовой отрицательной активной проводимостью, системы ударного возбуждения колебаний и автокомпенсации потерь, а. также аналоговый делитель с регистрирующим прибором и исследуемый элемент с источником и измерителем напряжения смещения CiT.
Это устройство может работать на повышенных частотах (несколько единиц или десятков МГц), однако, из-за влияния неравномерности активных потерь образцового конденсатора при замещении его емкости емкостью варикапа, оно не обеспечивает необходимой точности измерений. Кроме этого, устройство имеет низкую производительность вследствие трудностей автоматизации измерений по реактивной составляющей.
Известно устройство для измерения добротности и емкости варикапов, содержащее регистрирующий прибор, источник напряжения смещения, а также последовательно соединенные генератор, управляемыйпо частоте, частотный модулятор, измерительный блок, систему авторегулировки приращения частоты, подключенную ко второму входу частотного модулятора, а систему поиска резонансной частоты, один из выходов которой соединен с генератором, управляемым по частоте, а второй - с системой авторегулировки приращения частоты 2.
При измерении параметров варикапов с помощью этого устройства, необходимо располагать образцовым конденсатором переменной емкости, включенным в состав измерительного блока, а также источником напряжения смещения. Следует отметить, что применение 0 образцовых jконденсаторов переменно
емкости является обязательным условием практически для всех методов измерения параметров варикапов.
Цель изобретения - повышение точности и автоматизации измерений.
Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения добротности и емкости варикапов, содержащее регистрирующий прибор, источник напряжения смещения, последовательно соединенные генератор, управляемый по частоте , частотный модулятор, измерительный блок, систему авторегулировки приращения частоты, подключенную ко второму входу частотного модулятора, и систему поиска резонансной частоты, один из выходов которой соединен с генератором, управляемым по частоте, а второй - с системой авторегулировки приращения частоты, введены переключатель, генератор управляющих импульсов, линейный и квадратичный преобразователи, пять синхронных демодуляторов, одно сравнивающее, два вычитающих, два множительных и два множительно-делительных устройств и источник опорного напряжения, подключенный к одному из входов сравнивающего устройства, выход которого соединен с измерительным блоком, причем вход линейного преобразователя подключен к выходу системы авторегулировки приращения частоты, а вход квадратичного преобразователя - к точке соединения системы поиска резонансной частоты и генератора, управляемого по частоте, к которой подключен также информационный вход первого синхронного демодулятора, информационные входы второго и третьего синхронных демодуляторов соединены с выходом квадратичного, а четвертого и пятого с выходом линейных преобразователей, управляющие входы второго и четвертого синхронных демодуляторов подключены к одному выходу, а первого, третьего и пятого - ко второму выходу генератора управляющих импульсов , соединенному с переключателем один вывод которого подключен к измерительному блоку, а второй - к исследуемому элементуJ выходы второго и третьего синхронных демодуляторов соединены с соответствукадими входами первого вычитающего и делительными входами первого множительно-делительнрго устройств, также первыми входами второго и первого множительных устройств, вторые входы которых подключены к выходам соответственно пятого и четвертого синхронных демодуляторов , а выходы - к соответствующим вхо(ам второго вычитающего устройства, выход которого соединен с делительным входом второго множительно-делительного устройства, один из множительных входов которого подключен к выходу .первого синхронного
демодулятора, а второй - к выходу первого вычитающего устройства, соединенному с множительным входом первого множительно-делительного устройства, выход которого соединен с одним входом регистрирующего прибора, другие входы которого подключены к выходам первого синхронного демодулятора, соединенного со вторым входом сравнивающего устройства, второго множительно-делительного устройства и источника напряжения смещения, соединенного с измерительным блоком.
Измеряемые добротность и емкость варикапа в параллельной схеме замещения представлены в следующем виде:
J f-ftl)b
. , -
Оь
2tl (дТ7ТрТ 71 2fiKiuU2U - U U2 (1)
-а г- аг 2
Р, -f - - - СЬ-4ЛЛ 7 Г 41ГЧкг,о7 2)
где -f н jtj , fz резонансные частоты и приращения частот, задаваемые при определении второй производной ох ЛЧХ измерительного блока, соответственно при отключенном и подключенном исследуемом элементе;
w - число, показывакяцее во сколько раз половина полосы пропускания измерительного блока на уровне 0,707 (,0l ) больше приращения частоты &, задаваемого при определении второй производной, равное
13)
МП и К - коэффициенты преобразования частот -f-fi fi приращений частот в напряжения, соответственно. U, Ua и . добротности измерительного блока, соответственно при отключенном и подключенном исследуемом элементе;
L - индуктивность измерительного блока.
Действительно, при отключенном варикапе измерительный блок, характеризующийся добротностью Q ,. емкостью С-1 и резонансной частотой -f имеет эквивалентное сопротивление
0
Roe
4)
2ir-fiC,
При подключении к измерительному блоку исследуемого варикапа изменяется его резонансная частота и добротность, которые принимают значения fa и QJ , при этом эквивалентное сопротивление блока равна
5)
16) Так как частота, на которой р тает варикап, приобрела значение то эквивалентное сопротивление и дуамого варикапа определяем на э частоте по формуле Ноеь,..5 Известно, что при параллельно включении двух элементов их пров мости .складываются Кое2 Коен ЦОЁ t Подставляя в это выражение ( {/). получаем ) - 2ifiC-k QI Отсюда искомая добротность варик равна л, QiCfe Используя известное уравнение . Томсона, связывающее резонансную частоту с индуктивностью и емкостью контура, подставляем неизвестные ве личины емкостей C и Са через соответствующие резонансные частоты и индуктивность L измерительного бло ка (aiTiiTL При подстановке (9 ) в (б) выражение для искомой емкости варикапа приобретает вид (2). Для определения неизвестных вели чин Q-i воспользуемся соотноше нием (З), описывающим работу извест ного устройства. Подставляя (9), (2) и (3) в (8), получаем напряжение для искомой добротности варикапа в виде уравнения (1) . Устройство в автоматическом режиме осуществляет модуляцию параметров измерительного блока путем поочередного подключения и отключения исследуемого элемента с одновременным непрерывным слежением за состоянием резонанса и приращением частоты. соответствующим заданному числу А и добротности измерительного блока, последующей обработкой получаемой при этом информации в виде напряжени и , Uj , д и , &(J и вычислением по (1 и (2 ) величин искомых параметров. На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения добротности и емкости варикапов. Устройство включает следующие основные, соединенные в кольцо, функциональные блоки: генератор 1, управляемый по частоте, частотный модулятор 2, измерительный блок 3, систему 4 авторегулировки приращения частоты, осуществляющую стабилизацию числа -h независимо от модуляции параметров измерительного блока 1, путем изменения амплитуды ступенчатого напряжения, воздействующего на второй вход модулятора 2, и систему поиска 5 резонансной частоты, производящую непрерывное слежение за состоянием резонанса в измерительном блоке за счет изменения частоты генератора 1 и управляющую системой 4 при больших расстройках блока 3. Измерительный блок 3 представляет собой параллельный резонансный контур, включающий катушку индуктивности L, связанную посредством витка связи с выходом частотного модулятора 2, и варикап, который совместно с двумя разделительными конденсаторами образует управляемую напряжением емкость С, взамен образцового конденсатора переменной емкости. Для осуществления модуляции парат метров измерительного блока в устройство введен переключатель 6, коммутирующий исследуемый элемент 7 параллельно к блоку.3. Получаемая.при этом информация обрабатывается в соответствующих каналах. Первый синхронный демодулятор 8 представляет собой канал регистрации частоты, на которой производятся измерения параметров варикапов , а квадратичный преобразователь 9 амплитуды импульсов, второй и третий синхронные демодуляторы 10 и 11, первое вычитающее устройство 12 и первое множительно-делительное устройство 13 - канал измерения емкосtи. В состав канала измерения доброт ости входят линейный преобразователь 14 амплитуды и частоты импульсов, четвертый и пятый синхронные демодуляторы 15 и 16 и устройства первое и второе множительные 17 и 18, второе вычитсцощее 19 и второе множительно-делительное 20. С помслцью генератора 21 управляющих импульсов производится синхронизация работы переключателя 6 и демодуляторов 8, 10, 11, 15, 16. Сравнивающе- устройство 22 с источником опорного напряжения 23 образует систему стабилизации частоты измерений независимо от величин реактивной составляющей исследуемых элементов. Источник 24 напряжения смещения через измерительный блок 3 и переключатель 6 осуществляет подачу необходимого смещения на исследуемый элемент 7, а регистрирующий прибор 25 - индикацию всех измеряемых величин. Работа устройства происходит в ав томатическом режиме в соответствии со следующим алгоритмом. Измерительный блок 3 с подключенным исследуемым варикапом 7 настраивается на определенную частоту, например, / . Это связано с тем, что добротность варикапа является частот но-зависимым параметром и частоту измерения необходимо фиксировать, иначе затрудняется сравнение результатов измерения. В установившемся режиме эта настройка осуществляется с помощью системы стабилизации частоты измерения путем замещения емкос ти измерительного блока емкостью исследуемого варикапа, причем резонанс в измерительном блоке 3 поддерживается непрерывно с помощью системы 5 поиска резонансной частоты за счет перестройки частоты генератора 1. На заданной частоте la определяется добротность Q2(3) и емкость Сд (9) измерительного блока с подключен ным варикапом, т. е. эквивалентные HM,j Д -f а и 2 их аналоги л и С/2 , с последующим хранением информации об этих параметрах. Исследуемый варикап отключается от измерительного блока, при этом емкость С измерительного блока с отключенным варикапом сохраняется неизменной на определенное время, достаточное для протекания переходных процессов в системах автоматичес кого регулирования и регистрации новых значений параметров измерительн.ого блока, а резонанс достигается на новой частоте -f путем перестройки частоты генератора 1. На частоте -f-j определяются новые значения добротности С) и емкости измерительного блока 3, т. е. эквивалентные им fi - аналоги л U и U с последующим хранением информации об этих параметрах Полученная информация о параметрах измерительного блока с подкл метрах измерительь ченным(0.-С i ) и отключенным ( Qi ) исследуем дуемым варикапом обра батывается в соответствующих каналах с последующим вычислением в соответ ствии с формулами (1) и (2 ) величин искомь1х параметров, В исходном состоянии, когда под влиянием управляющих импульсов гене ратора 21 переключатель б находится в состоянии, подключающем к измерительному блоку 3 исследуемый элемен 7, смещенный необходимым напряжение источника 24, а синхронные демодуля торы 8, 11, 16, 10, 15 соответствен но в режиме накопления и хранения информации, на один из входов часто ного модулятора 2 поступает напряже ние произвольной частоты от генерат па 1, а на второй - ступенчатое напряжение определенной амплитуди v; ::;истемы 4 авторегулировки приращения частоты, при этом система 5 поиска не получая управляющего сигнала через систему 4 с выхода измерительного блока 3, перестраивает генератор 1 в пределах диапазона частот до тех пор, пока его частота не войдет в полосу пропускания измерительного блока 3 и не совпадает с резонансной. Резонансная частота измерительного блока 3 в начальный момент времени оказывается смещенной в противоположный началу перестройки край диапазона генератора 1 под влиянием большого разностного сигналаj, возникающего в сравнивающем устройстве 22 за счет преобладания одного из напряжений: опорного напряжения источника 23 или выходного напряжения синхронного демодулятора 8, в зависимости от того, с какого края диапазона начинается перестройка частоты генератора 1, снизу вверх или сверху вниз. Перестраивая частоту генератора 1 снизу вверх, выходное напряжение системы 5 поиска возрастает, вызывая увеличение напряжения на выходе синхронного демодулятора 8, которое, преодолевая в сравнивающем устройстве 22 опорное напряжение источника 23, способствует вхождению частоты генератора 1 в полосу пропускания измерительного блока 3 и появлению сигнала на выходе последнего. Это приводит в действие систему 4 регулировки приращения частоты, в которой образуются напряжения, пропорциональные первой и вторым производным в соответствующих точках АЧХ. При прохождении через точку резонанса первая производная изменяет свой знак на противоположный и останавливает систему 5 поиска переводя ее в режим автоподстрЬйки. С этого момента времени система-стабилизации частоты измерения получает приоритет по отношению к системе 5 поиска и выходное напряжение синхронного демодулятора 8, непрерывно сравниваясь с опорным напряжением источника 23 в устройстве 22, продолжает перестраивать измерительный блок 3, приближая его резонансную частоту к частоте измерения (1), (2), определяемой начальными условиями (уровнем опорного напряжения источника 23), с последующей ее стабилизацией в установившемся режиме независимо от влияния различных факторов. В это же время система 5 поиска осуществляет непрерывное слежение за состоянием точной настройки генератора 1 на резонансную частоту измерительного блока 3 и, воздействуя на систему 4, разрешает ей авторегулировку приращения частоты , при этом начинает изменяться амплитуда ступенчатого напряжения во втором входо частотного модулятора 2. Чта ампп: гула продолжае изменяться до гсх |Л:, пока ьыходнос- напряжение моду;1 тора 2, получив приращение частот, пропорциональные д 2 и пройдя измерительный блок 3, обладающий добротностью Qj, не создаст соотношение напряжений вторых производных в точке резонанса и точке, отстоящей от первой на величину , соответ ствующее установленному числу Ь Спустя некоторое время система 4 авторегулировки приращения частоты приходит в равновесное состояние, непрерывно поддерживая постоянной с заданной степенью точности и в соот ветствии со значением добротности измерительного блока, величину амплитуды ступенчатого напряжения, пр порциональную Д-f2 . независимо от действия различных факторов. Одновременно с протеканием переходных процессов в рассматриваемых системах производится непрерывная обработка их выходных сигналов. В линейном преобразователе 14 происхо дит выпрямление ступенчатого напряжения с выхода системы 4, а в квадратичном преобразователе 9 - возведение в квадрат напряжения с выхода системы 5 поиска. Преобразованные напряжения воздействуют на информационные входы синхронных демодулято ров 15, 16 и 10, 11. К моменту окончания переходных процессов установившиеся выходные напряжения систем 4 и 5 , пропорцион льные приращению частоты Д j и ре зонансной частоте -fg , преобразова шись в линейном и квадратичном прео разователях 14 и 9 в напряжения л (У,, I I 2 и Ц ,оказываются накопленными соответственно в синхронных демодуляторах 16 и 11, находящихся все это время в режиме накопления информации под влиянием генератора 21. По окон чании управляющего импульса генерато ра 21, длительность которого согласо вана со временем установления перехо ных процессов в системах 4 и 5, синхронные демодуляторы 8 11 и 16 переходят в режим хранения информации причем синхронный демодулятор 8, сохраняя накопленную информацию, удерживает на определенное наперед задан ное время постоянным выходное напряжение сравнивающего устройства 22, а следовательно, и величину управляемой реактивной проводимости измерительного блока 3, соответствующую ег точной настройке с подключенным исследуемым элементом 7 на резонансную частоту -f 2 Одновременно с этим на втором выходе генератора 21 образует ся импульс, который переводит синхро ныв демодуляторы 10, 15 в режим накопления информации, а переключатель 6 во второе состояние, отключающее исследуемый элемент 7 от измерительно о блока 3. При отключении исследуемого элемента 7 происходит модуляция параметров измерительного блока 3, при этом системы 4 и 5, стремясь сохранить условия резонанса и постоянство числа при другой добротности Q измерительного блока 3, вызывают изменения напряжения на втором входе частотного модулятора 2 и управляющем входе генератора 1, что приводит к перепаду напряжений на выходах линейного и квадратичного преобразователей 14 и 9 и, следовательно, к непрерывному накоплению информации в синхронных демодуляторах 15 и 10. Изменяющееся напряжение демодулятора 10 обрабатывается в соответствии с(2) в канале измерения емкости, т, е. вычитается в устройстве 12 с хранимым напряжением демодулятора 11, а образующаяся разность напряжений подвергается делению в множительно-делительном устройстве 13 на напряжения синхронных демодуляторов 10 и 11 и поступает на регистрирующий прибор 25. Одновременно с этим выходное напряжение демодулятора 15 -обрабатывается в соответствии с (1 ) в канале измерения добротности, т. е. перемножается в множительном устройстве 17 с хранимым напряжением демодулятора 11 и вычитается в устройства 19 с перемножаемым в множительном устройстве 18 напрях(ением демодулятора 16 и изменяющимся напряжением, демодулятора 10, а получаемая разность, воздействуя на делительный вход множительно-дёлительного устройства 20, производит деление на данную разность перемножаемых в этом же устройстве напряжений с выходов синхронного демодулятора 8 и вычитающего устройства 12 и поступает на регулирующий прибор 25. По установлению в рассматриваемом устройстве переходных процессов, когда выходные напряжения систем 4 и 5 станут соответствовать в точности приращению частоты Д и резонансной частоте 4l / генератор 21, заканчивая формирование управляющего импульса на своем втором выходе, переводит синхронные демодуляторы 15 и 10 в режим хранения накопленной информации в виде напряжений Д-/ и и (1), (2), при этом выходные напряжения множительно-делительных устройств 13 и 20 оказываются точно соответствующими измеряемым емкости и добротности исс;-едуемого варикапа и регистрируются прибором 25. Спустя некоторое предельно короткое время, достаточное только для регистрации измеряемых емкости и добротности, индикация измеряемых параметров может производиться(напряжения смещения и частоты измерения за время действия соответственно первого и второго управляющих импульсоп генератора 21; емкости и добротности за время измерения параметров следую 1дего варикапа; смена варикапа - за время действия второго импульса гене ратора 21; указанные связи генератор 21, синхронизирующие работу регистри рующего прибора 25 и смену варикапа 7, не показаны), снова срабатывает генератор 21 управляющих импульсов и процессы в измерительном устройстве периодически повторяются , производя измерения параметров следующего варикапа . Повышение точности измерений обес печивается прежде всего, использованием в устройстве изложенного выше метода определения соответствующих параметров, позволяющим практически полностью исключить составляющие погрешности, обусловленные влиянием не равномерности активных потерь управляемой реактивной проводимости измерительного блока при замещении ее емкости емкостью варикапа, которые присущи всем известным методам измерений и являются преобладающими при больших значениях добротности исследуемых элементов, достигая десятков процентов. Таким образом, при учете остаточной погрешности, связанной с неравномерностью активных потерь управляемой реактивной проводимости измерительного блока, KOTopj можно получить не выше +оД% выигрыш в точ ности по этой составляющей составляет несколько сотен раз. Формула изобретения Устройство для измерения добротности и емкости варикапов, содержащее регистрирующий прибор, источник напряжения смещения, а также последовательно соединенные генератор, управляемый по частоте, частотный модулятор, измерительный блок, систему авторегулировки приращения частоты, подключенную ко второму входу частотного модулятора, и систему поиска резонансной частоты, один из выходов которой соединен с генерато ром, управляемым по частоте, а второй - с системой авторагулировки приращения частоты, отличающееся тем, что. с целью повыше ния точности и автоматизации измерений, в него введены переключатель генератор управляющих импульсов, ли нейный и квадратичный преобразователи, пять синхронных демодуляторов одно сравнивающее, два вычитающих, два множительных и два множительноелительных устройств и источник опорного напряжения, подключенный к дному из входов сравнивающего устройства, выход которого соединен с измерительным блоком, причем вход инейного преобразователя подключен к выходу системы авторегулировки приращения частоты, а вход квадратичного преобразователя - к точке соединения системы поиска резонансной частоты и генератора, управляемого по частоте, к которой подключен также информационный вход первого синхронного демодулятора, информационные входы второго и третьего синхронных демодуляторов соединены с выходом квадратичного, а четвертого и пятого - с выходом линейных преобразователей , управлякядие входы второго и четвертого синхронных демодуляторов подключены к одному выходу, а первого, третьего и пятого - ко второму выходу генератора управляющих импульсов, соединенному с переключателем, один вывод которого подключен к измерительному блоку, а второй к исследуемому элементу, выходы второго и третьего синхронных демодуляторов соединены с соответствующими входами первого вычитающего и делительными входами первого множительноделительного устройств, а также с первыми входами второго и первого множительных устройств, вторые входы которых подключены к выходам соответственно пятого и четвертого синхронных демодуляторов, а выходы - к соответствующим входам второго вычитающего устройства, выход которого соединен с делительным входом второго множительно-делительного устройства, один из множительных входов которого подключен к выходу первого синхронного демодулятора, а второй - к выходу первого вычитающего устройства, соединенному с множительным входом первого множительно-делительного устройства, выход которого соединен с одним входом регистрирующего прибора, другие входы которого подключены к выходам первого синхронного демодулятора, соединенного со вторым входом сравнивающего устройства, второго множительно-делительного устройства и источника напряжения смещения, соединенного с измерительным блоком. Источники информации, принятые во внм«1ание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 429375, кл. G 01 R 27/26, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2402461/25/, кл. G 01 R 27/26, 1976 (прототип).
rv
