УДК 681.325

Введение и постановка проблемы

Постоянное развитие средств измерений и контроля различных параметров изделий и процессов является неотъемлемой частью научно-технического прогресса. Одной из основных задач при разработке измерительных систем является повышение точности, быстродействия и увеличение диапазона измеряемых величин [1].

Анализ последних исследований

В процессе использования варикапов осуществляются многократные измерения основных их параметров, таких как емкость, коэффициент перекрытия по емкости и добротность. Известен измеритель емкости и добротности полупроводниковых приборов [2], работа которого основана на компенсации вносимых потерь в измерительном контуре при его ударном возбуждении. К недостаткам данного устройства отноится невысокая точность измерения емкости варикапа и узкие функциональные возможности, так как оно не позволяет измерять коэффициент перекрытия по емкости. Измеритель [3] отличается повышенной точностью, но тоже не позволяет измерять коэффициент перекрытия по емкости. Наиболее функциональным является измеритель [4], однако в нем не предусмотрена стабилизация коэффициента передачи сигнала от генератора через усилитель и детектор-коммутатор к делительному устройству, вследствие чего он имеет низкую точность измерений.

Цель статьи

Целью работы является увеличение точности разбраковки варикапов по добротности и расширение функциональных возможностей устройства, которое может быть использовано при контроле параметров полупроводниковых приборов.

Основной материал

Для реализации целей статьи разработано устройство для разбраковки варикапов по емкостным параметрам и добротности содержит [5]: преобразователь емкости в напряжение 1, источник изменяющегося напряжения 2, усилитель высокочастотного сигнала 3, детектор 4, измерительный контур 5, блок (Б) 6 задания режима, Б 7 вычитания, множительно-делительный Б 8, пороговые Б 9,12-14, триггеры 10,15,16,26,27, генератор 11 ВЧ-сигнала, управляемые усилители 17,18, аналоговый сумматор 19, регистр 20 памяти, цифроаналоговый преобразователь 21, генератор 22 импульсов, счетчик 23 импульсов, элементы И 24,25, элементы 28,29 задержки.

На рис. 1 приведена структурная схема устройства для разбраковки варикапов по емкостным параметрам и добротности, которая содержит преобразователь емкости в напряжение 1, источник изменяющегося напряжения 2, усилитель высокочастотного сигнала 3, детектор 4, измерительный контур 5, блок .задания режимя 6, блок вычитания 7, множит ельно-делительный блок 8, первый пороговый блок 9, первый триггер 10, генератор высокочастотного сигнала 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 пороговые блоки, второй 15 и третий 16 триггеры, первый 17 и второй 18 управляемые усилители, аналоговый сумматор 19, регистр памяти 20, цифроаналоговый преобразователь 21, генератор импульсов 22, счетчик импульсов 23, первый 24 и второй 25 элементы И, четвертый 26 и пятый 27 триггеры, первый 28 и второй 29 элементы задержки.

Преобразователь 1 емкости в напряжение содержит генератор 30 высокой частоты, разделительный конденсатор 31, клеммы 32 для подключения исследуемого конденсатора, образцовый резистор 33, блок задания режима 34, усилитель 35, детектор 36. Измерительный контур 5 содержит разделительные конденсаторы 37,38, подстроечный варикап 39, катушку индуктивности 40, клеммы 41 для подключения испытуемого варикапа.

Рис. 1 Структурная схема устройства

Вход измерительного контура 5 соединен с выходами блока задания режима 6 и генератора высокочастотного сигнала 11, управляющий вход измерительного контура 5 соединен с выходом источника изменяющегося напряжения 2, выход измерительного контура 5 через последовательно соединенные усилитель 3 и детектор 4 соединен с первыми входами блока вычитания 7 и множительно-делительного блока 8, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания 7, а выход через пороговый блок 9 соединен со счетным входом триггера 10, входы обнуления триггеров 10,15,16 и счетчика 23 через элемент задержки 28 соединены с обнуляющим входом триггера 27, инвертирующий выход которого соединен с обнуляющим входом триггера 26 и одним из входов элемента И 25, выход которого соединен с управляющим входом преобразователя 1 емкости в напряжение, выход которого через пороговый блок 12 соединен с информационным входом триггера 15, а через цифроаналоговый преобразователь 21 со входами пороговых блоков 13 и 14, выходы которых соединены с информационным входом триггера 16 и входом установки триггера 26 соответственно, инвертирующий выход триггера 26 соединен с информационным входом триггера 10, счетным входом триггера 15 и одним из входов элемента И 24, другой вход которого соединен с выходом генератора импульсов 22, а выход - со входом счетчика 23, выход которого соединен со входами цифроаналогового преобразователя 21 и и регистра памяти 20, выход которого соединен со входами управляемых усилителей 17,18, выход управляемого усилителя 17 через последовательно включенные сумматор 19, управляемый усилитель 18 соединен с третьим входом множительно-делительного блока 8, второй вход блока вычитания 7 соединен с выходом сумматора 19.

Одна из клемм 32 для подключения исследуемого варикапа соединена через образцовый резистор с общей шиной устройства и через последовательно соединенные усилитель 35 и детектор 36 с выходом преобразователя 1 емкости в напряжение, а вторая клемма 32 через блок задания режима соединена с управляющим входом преобразователя 1 емкости в напряжение и кроме того, через разделительный конденсатор 31 с выходом генератора высокой частоты 30.

Одна из клемм 41 измерительного контура 5 соединена с общей шиной устройства и через последовательно соединенные подстроечный варикап 39 и разделительный конденсатор 37 с другой клеммой 41 и через последовательно соединенные разделительный конденсатор 38 и катушку индуктивности 40 с разделительным конденсатором 37 и выходом измерительного контура 5, вход которого соединен с катушкой индуктивности 40 и разделительным конденсатором 38, а управляющий вход соединен с подстроечным варикапом 39 и разделительным конденсатором 37.

Исходное состояние хаарктеризуется следующим состоянием элементов. На клеммах 32 находится испытуемый варикап. Блок задания режима 34 выдает напряжение смещения, соответствуещее первой точке вольт-фарадной характеристики испытуемого варикапа. Генератор высокочастотного сигнала 30 вырабатывает напряжения высокой частоты (частоты, на которой измеряется емкость варикапа). С емкостно-омического делителя, образованного исследуемым варикапом и образцовым резистором 33, напряжение, пропорциональное емкости варикапа, поступает на вход усилителя 35. Усиленное напряжение с выхода усилителя поступает на детектор 36. С выхода детектора выпрямленное напряжение поступает на входы цифро-аналогового преобразователя 21 и порогового блока 12. С генератора 11 напряжение высокой частоты (на которой измеряется добротность варикапов) поступает на измерительный контур 5. Также на измерительный контур 5 из источника 2 подается изменяющееся напряжение. Испытуемый варикап на клеймах 41 отсутствует. Из блока задания режима 6 напряжение смещения через катушку индуктивности 40 измерительного контура 5 поступает на клемму 41 для испытуемого варикапа. На входе усилителя 3 напряжение отсутствует, так как измерительный контур 5 без испытуемого варикапа не может настроиться в резонанс (из-за малой емкости в контуре).

Работа устройства для разбраковки варикапов по емкостным параметрам и добротности заключается в следующем.

Пороговый блок 12 в зависимости от  значения входного напряжения вырабатывает сигнал, который поступает на вход 42 триггера 15. С приходом импульса «Пуск» обнуляются триггеры 10,15,16 и счетчик импульсов 23. С некоторой задержкой, обеспечиваемой элементом задержки 29, необходимой для обнкления указанных выше элементов, устанавливаются в нулевое состояние триггеры 27,26. Триггер 26 дает разрешение на прохождение импульсов от генератора импульсов 22 через логический элемент И 24 на вход счетчика импульсов 23, а также опрашивает состояние порогового блока 12 через вход 43 триггера 15. Этим самым триггером 15 фиксируется наличие «брака» по емкости в первой точке вольт-фарадной характеристики исследуемого варикапа. По мере поступления импульсов на вход счетчика 23 происходит уравновешивание схемы по цепи: выход цифроаналогового преобразователя 21, пороговый блок 14, триггер 26, элемент И 24, счетчик импульсов 23. В момент уравновешивания срабатывает пороговый блок 14 и фиксируется равенство:

где        - номинальное значение кода счетчика 23;

 - код счетчика, соответствующий равновесию схемы;

 - выходное напряжение детектора 36, пропорциональное максимальной емкости исследуемого варикапа, которое поступает на аналоговый вход цифроаналогового преобразователя 21;

 - напряжение, при котором срабатывает пороговый блок 14.

Напряжение  соответствует емкости варикапа в точке смещения, при которой измеряется добротность.

Пороговый блок 14 своим выходным сигналом устанавливает триггер 26, на входах элемента И 25 происходит совпадение сигналов. Выходной сигнал с элемента И 25 поступает на вход блока задания режима 34, который вырабатывает напряжение смещения, соответствующее второй точке вольт-фарадной характеристики испытуемого варикапа. С задержкой во времени, обеспечиваемой элементом задержки 28, необходимой для установления переходных процессов в детекторе 36 и цифроаналоговом преобразователе 21, опрашивается пороговый блок 13 путем подачи сигнала на вход триггера 16, вход 44 которого соединен с выходом порогового блока 13. Этим самым обеспечивается контроль коэффициента перекрытия  испытуемого варикапа, т.е. контроль выходного напряжения, которое обратно пропорционально  варикапа. В самом деле, с подачей второго напряжения смещения на варикап (максимального по значению, при котором емкость варикапа будет минимальной) на входе порогового блока 13 будет напряжение

где - напряжение на аналоговом входе ЦАП, пропорциональное емкости варикапа 39 при втором напряжении смещения.

Уравнение (2) можно переписать с учетом (1):

Из уравнения (3) следует, что  обратно пропорционально  варикапа 39.

Выходной сигнал элемента задержки 28 также подается на вход регистра памяти 20 и на вход триггера 27, сбрасывая его. Схема измерения емкости приводится в исходное состояние.

В дальнейшем исследуемый варикап поступает на клеммы 41 для измерения добротности, а на клеммы 32 поступает новый испытуемый варикап. Подачу варикапов на клеммы можно обеспечить автоматически с помощью устройства подачи и выгрузки.

С поступлением варикапа на клеммы 41 измерительный контур 5 периодически, с частотой импульсов изменяющегося напряжения, поступающих из источника 2, настраивается в резонансе. В момент резонанса на выходе измерительного контура 5 будет максимальное напряжение высокой частоты. В зависимости от добротности контура амплитуда выходного напряжения будет изменяться. С выхода измерительного контура напряжение поступает на вход усилителя 3. Усиленный сигнал поступает на вход детектора 4, который выделяет огибающую напряжения колоколообразной формы.

Очередным импульсом «Пуск» триггер 10, регистрирующий выход уровня добротности испытуемого варикапа за пределы нормы, сбрасывается в «нулевое» состояние. На вход 45 триггера 10 с выхода триггера 26 поступает разрешающий потенциал.

Приходящий код с регистра памяти 20 связан с измеряемым напряжением, пропорциональным измеряемой емкости, соотношением:

где  - постоянная величина.

Код с регистра сдвига 20 поступает на управляющий вход управляемых усилителей 17 и 18. Выходное напряжение усилителя 17

где  - опорное напряжение, постоянная величина;

 - сопротивление обратной связи усилителя;

 - сопротивление на входе усилителя, постоянная величина.

Но управляющий код усилителя связан с проводимостью в цепи отрицательной

Тогда уравнение (5) можно переписать как

где  - коэффициент пропорциональности;

 - постоянная величина.

Из (7) следует, что выходное напряжение усилителя 17 прямо пропорционально напряжению на выходе детектора 36, которое пропорционально измеряемой емкости исследуемого варикапа в первой точке его вольт-фарадной характеристики, т.е. в точке с обратным смещением, при котором измеряется добротность.

Напряжение с выхода усилителя 17 поступает на вход аналогового сумматора 19. На выходе сумматора будет напряжение

где  - опорное напряжение, постоянная величина.

Напряжение  (8) поступает на вход второго управляемого усилителя 18. На выходе усилителя 18 формируется напряжение

где  - коэффициент пропорциональности, постоянная величина.

Напряжение  (9)  поступает на множительный вход множительно-делительного блока 8 (МДУ). На делительный вход МДУ поступает напряжение с выхода блока вычитания 7

где  - выходное напряжение детектора 4.

На другой множительный вход поступает напряжение с выхода детектора 4. В множительно-делительном блоке производится вычисление по формуле:

Напряжение  поступает на вход порогового блока 9, который вырабатывает выходной сигнал при превышении входным сигналом определенного граничного уровня, т.е. пороговое устройство определяет принадлежность испытуемого варикапа к той или иной группе по добротности. Выходной сигнал порогового устройства поступает на вход 46 триггера 10, устанавливая его в «единичное» состояние.

Из уравнения (11) следует, что выходное напряжение пропорционально добротности испытуемого варикапа.

Выводы

Разработанное устройство позволило увеличить точность разбраковки варикапов по добротности, что расширило функциональные возможности устройства, которое может быть использовано при контроле параметров полупроводниковых приборов.

1.                  В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко Принцип здійснення гнучкого програмного керування елементами вимірювальних систем за аналізом їх експоненціальних параметрів //Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2003. – №2 (18). – С.297-301.

2.                  Авторское свидетельство СССР №429375. Опубл.: 02.07.1975. - Кл. G01R27/26.

3.                  Авторское свидетельство СССР №512440. Опубл.: 30.04.1976. - Кл. G01R31/26.

4.                  Балахонов В.Д. и др. Измеритель емкости и коэффициента перекрытия по емкости варикапов //Электронная промышленность. – 1975. – №2. – С.72.

5.                  Авторское свидетельство СССР №1367700 «Устройство для разбраковки варикапов по емкостным параметрам и добротности». Авторы: В.С. Тверезовский, С.С. Голощапов. Опубл.: 19.11.1985. - Кл. G01R27/26.