Устройство для измерения параметров аппроксимации характеристик нелинейных элементов
О П И С. А Н И Е ()998982
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К,АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советскик
Социаиистичеекин
Республик
1 (6!) Дополнительное к авт. санд-ву(5l jN, Кл..
Q 01 Р 31/26 (22) Заявлено 21.09.81 (2 I ) 3337809/18-21 с присоединением заявки М (23)ПрноригетГмудвретвеньм квмнтат .
СССР де делам нзвбретнннй н етнрмтнй (5З) А 621.F82..3 (088.8) Опубликовано 23.02;83. Бюллетень Ют 7
Дата опубликования описания 23.02.83 (72) Автор изобретения
B. Jl. Свирид
Минский радиотехнический институт (71) Заявитель . (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
АППРОКСИМАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК
НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Изобретение относится к радиоизме рительной технике, предназначено для измерения степени аппроксимирующего. полинома характеристики управления полевых транзисторов, варикапов и таких параметров этих приборов как напряжение отсечки, контактная разность потенциалов, значения физических параметров в исследуемой точке и т.д. с повышен3 ной точностью и быстродействием и мо1О жет быть использовано для измерения аналогичных параметров других нелинейных элементов, характеристики которых аппроксимируются степенным полиномом.
1;5
Известен способ измерения параМегров аппроксимации характеристик управления полевых транзисторов, заключающийся в определении напряжения отсеч ки, а также тока стока и крутизны при заданном напряжении затвор-исток с последующим расчетом степени аппроксимирующего полинома по - установленному соотношению (1 J .
Однако данный способ не обеспечивает требуемой точности и быстродействия измерений из-зе необходимости определения по существу разнородных параметров аппроксимации с присущими каждому в отдельности методическими и техническими трудностями,. так как отсутствует единый обобщенный пара= метр, характеризующий все остальные.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее регистрирутощий прибор, ге-, нератор импульсов, два синхронных де модулятора, сравнивающий и вр1читающий блоки, два аттенюатора, а также пропорциональный модулятор и преобразователь физических параметров в напряжение, включающий генератор переменного напряжения, операционный усилитель, амплитудный детектор, перекл1очатель и блок напряжений смешения (2) .
Однако известное устройство позволяет достаточно точно с высоким быстродействием определить лишь напряжение
82 дуемого полупроводникового прибора первый вход второго сравнивающего блока соединен с выходом второго синхронного демодулятора, второй подключен к входу второго модулятора, первому вы-. читающему входу суммирующе-вычитающего блока и первому выходу блока опорных напряжений, второй вход треть . го аттенюатора подключен к выходу третьего сравнивающего блока, один вход которого соединен с вторым выходом блока опорных напряжений, а второй через второй линейный преобразователь напряжений соединен с выходом суммируюшь-вычитающего блока, второй суммирующий вход которого подключен к второму выходу преобразователя физических параметров в напряжение, а третий - через четвертый аттенюатор к выходу второго модулятора, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу генератора импульсов, выход первого линейного преобразователя напряжения соединен с входами третьего и четвертого синхронных демодуляторов, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам генератора импульсов, а выходы — соответственно к входу первого аттенюатора и вторым входам первого вычитающего и перемножаюшего блоков, соответствующие входы блока деления соединены с выходами первого сравнивающего и первого вычитающего блоков, а выход - с первым входом перемножаюшего блока и через масштабный преобразователь напряжений, с одним из входов регистрирующего прибора, другие входы которого подключены ра."-ьдельно; к выходам второго сравнивающего и второго вычитающего блоков, первый вход которого подключен к выходу второго сравнивающего блока, а второй - к выходу перемножаюшего блока.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Проходные характеристики в функции управляющего воздействия ряда нелинейных элементов в общем виде могут быть аппроксимированы степенным полиномом
Р(4) =P 1+ —, (11
Ж
О где Р(Ч) — функция, под обозначением P которой понимают всевозможные физические параметры (ток, проводимость, емкость, индуктивность и т.д.), а под
3 9989 отсечки полевых транзисторов, характе, ристики крутизны и проводимости канала которых имеют степень аппроксимирующего полинома равную единице, и не обладает таковыми свойствами при измерениях аналогичных и других параметров аппроксимации характеристик нелинейных элементов с произвольной степенью нелинейности. целью изобретения является повыше- 10 ние точности и быстродействия измерений.
Указанная цель достигается тем,. что в устройство для измерения параметров аппроксимации характеристик нелинейных 1S элементов, содержащее регистрирующий— прибор, генератор импульсов, выходы которого соединены с управляющими входами первого модулятора, первого и второго синхронных демодуляторов, вы- щ ход первого синхронного демодулятора подключен через первый аттенюатор к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом втс рого синхронного демодулятора, а выход соединен с входом первого модулятора, преобразователь физических параметров в напряжение, первый выход которого соединен с входом первого и второго синхронных детекторов, а второй выход и вход соединены соответственно с первой и второй клеммами для подключения исследуемого прибора, генератор модулирующего напряжения и второй. аттенюатор, выход которого подключен к первому входу первого вычитаклцего блока, 35 введены третий и четвертый аттенюаторы, второй модулятор, третий и четвертый синхронные демодуляторы, масштабный и первый и второй линейные преоб40 разователи напряжений, блок деления, блок умножения, первый и второй суммирующие блоки, суммирующе-вычитаю ший блок, второй вычитающий блок, второй и третий сравнивающие блоки и блок опорных напряжений, причем выход гене45 ратора модулирующегд напряжения через третий аттенюатор .соединен с входом первого линейного преобразователя напряжений и с первым входом первого суммирующего блока, второй и третий входы которого подключены к выходам первого модулятора и второго сравнивающего блока, а выход - к первому входу второго суммирующего блока, второй вход которого подключен к третьему выходу преобразователя физических параметров в напряжение, a выход - к третьей клемме для подключения иссле998982 4
Из соотношений (3) и (4) видно, что параметры аппроксимации жестко взаимосвязаны и для их раздельного измерения необходимо отыскать другие наиболее обобщенные параметры, в полной мере характеризующие искомые величины.
Так как соотношения (3) и (4) выполнимы при любых значениях 2), зафиксируем величину параметра 4 и ,представим (3) в виде еИ „) о1 ар — (4) а)
Тогда на основании (3) и (5) можно записать — () " о ".- 4р(q) О
PNOKC а,..) а
P(4) Orc1olia
Ф
Для опре фференци аргументом -напряжения, пропорциональные воздействующим факторам (ток, напряжение, давление, температура и. т.д.), вызывающим S изменения физических параметров в исследуемой точке;
- максимальное значение функции, соответствующее определенному значению ар- 6 гумента, например g = 0;
О - пороговое напряжение, характеризующее экстремальные значения исследуемых функпий 0 или ее, например, для полевых транзисторов это напряжение соответствует напряжению отсечки О п ото при котором канал лишается пРоводимости (Р (0 д ото,— 0) Е а для варикапов — контактной разности потенциалов при компенсации внешним напряжением (U= - Чк ) которой барьерная емкость условно устремляется в бесконечность; степень аппроксимирующего полинома, отличие которой QT единицы является мерой нелинейности исследуемых характерис- 30 тик, — в общем случае она может быть величиной как больше, так и меньше нуля; например, для некоторь1х типов полевыхтранзисторов Ж =, 1„9...2,2, а для варикапов зе = — (0,3...Г
0,5). Для отмеченных типов
2, нелинейных элементов существует
r жесткая связь между знаками
+", стоящими перед параметра ми 4 и Ж, а именно, знак
+ в скобках соотношения (1) соответствует характеристикам варикапов, а знак -" - полевым транзисторам.
45 деления искомых величин продируем (1) по параметру } с
Решая совместно (2) и (1), получаем
3 2) Ж
С учетом (6) соотношение (4) приобретает вид
Переходя к конрчным приращениям
H выполняя в процессе измерений уоа И) = P („) (8) (,)
И2, (9) где коэффициент w может быть выбран равным 0,15, выражения (6) и (7) существенно упр ощаем (Ч-41) MPH) (м- „) w()
Ч =++ (11) о
Ввдя обобщенный параметр ")1
М- 2 (Л) ьМ()-та („) 7 9989 для искомых величин (10) и (11) окончательно получаем
„=и арЫ ., („,)
Р() о=чей )(м)- ) (), Предлагаемое устройство в автоматическом режиме производит измерение физических параметров P ..н приращений напряжений Д, пропорциональных произ10 водным, при двух значениях напряжений и 1,при которых автоматически вы. 1 полняются условия (8) и (9), вычисляет значение обобщенного параметра . (12) и в соответствии с (13) и (14) опреде-, ляет искомые параметры аппроксимации соответствующих характеристик нелинейных элементов, обеспечивая выигрыш в точности и быстродействии измерений..
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для измерения параметров аппроксимации характеристик нелинейных элементов; на фиг. 2— упрощенная структурная схема преобра: зователя физических параметров, в напряжение„соединенного с исследуемым нелине ым элементом и вторым суммирующим блоком; на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие принцип работы устройства; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие выигрыш в точности измерений параметров аппроксимации характеристик нелинейных элементов.
Устройство (фиг. 1) включает ряд функциональных систем. Исследуемый N элемент 1, преобразователь 2 физических параметров в напряжение, первый и второй синхронные демодуляторы 3 и 4 и первый 1тропорциональный модулятор 5, управляемые генератором 6 <0 импульсов, а также второй .аттенюатор
7 с коэффициентом передачи равным (9), первый сравниваюший блок 8 и первый и второй суммирующие блоки
9 и 10 образуют систему модуляции 45 физических параметров, позволяшую при измерениях автоматически выполнить условие (9), при котором устанавливается заданное соотношение параметров в соответствующих точках исследуемых 50 характеристик, например т = 0,15 и, следовательно, непосредственно определить разность напряжений - )„, вхо,"ящую в (10) — (12).
Блок 11 опорных напряжений и второй сравнивающий блок 12, входящие совместно с первым и вторым суммирующими блоками 9 и 10, преобразоватеS2 8 лем 2 физических параметров в напря4 жение и вторым синхронным демодулятором 4 в состав системы нормирования физических параме ров, позволяет застабилизировать независимо от действия различных факторов значение параметра в одной из отсчетныхточек Р()исследуемых характеристик нелинейного элемента 1 и, следовательно, однозначно определить ее координаты, информация о которых входит в (13) и (14). Отсчетную точку Р(4)на исследуемых характеристиках выбирают таким образом, чтобы ее ордината соответствовала, например, пределам измерений каждого из параметров преобразователя 2, что достижимо .при первичной регулировке опорного напряжения блока 11 и коэффициента передачи преобразователя 2 физических параметров. в напряжение.
Второй пропорциональный модулятор
13, управляемый генератором 6 импульсов, четвертый аттенюатор 14 с коэффициентом передачи равным (1" m) (9), суммирующе-вычитающий блок 15, второй линейный преобразователь 16 напряжений, третий сравнивающий блок 17, третий аттенюатор 18, управляемый напряжением, и генератор 19 модулирующего .напряжения совместно с первым и вторым суммирующими блоками 9 и 10, преобразователем 2 физических параметров в напряжение и блоком 11 опорных напряжений образуют систему стабилизации приращений Р физических параметров независимо от положения отсчетных точек Р(4)и P(9< ) на исследуемых характеристиках нелинейного элемента 1, которая в процессе измерений производит необходимую обработку сигналов и совместно с указанными выше системами обеспечивает автоматическое выполнение условия (8).
Первый линейный преобразователь 20 напряжений, третий и четвертый синхронные демодуляторы 21 и 22, первый аттенюатор 23 с коэффициентом передачи равным rn (9), первый вычитающий блок 24 и делящий блок 25 . представляют собой канал обработки информации о приращениях напряжений
Д0(М)и g9(4<), пропорциональных производным в точках Р(д)и Р(1„) исследуемых характеристик, и формирования в соответствии с (12) обобщенного параметра М.
Масштабный преобразователь 26 напряжений и перемножающий блок 27 с вторым вычитающим блоком 28 обра9 зуют каналы измерения параметров ЗС и, М, которые осуществляют дальнейшие преобразования получаемой информации и вычисление .в соответствии с уравне, ниями (13) и (14) искомых параметров с последующей передачей для индикации на регистрирующий прибор 29. Для автоматической коррекции показаний регистрирующего прибора 29, связанных с изменением пределов измерения физических параметров (делитель Р(4) в формуле (13) управляющие органы пре разователя 2 физических параметров в напряжение и масштабного преобразователя 26, осуществляющие изменение их коэффициентов передачи, сопряжены между собой.
Преобразователь 2 физических параметров в напряжение (фиг. 2) включает операционный усилитель 30, имеющий в . цепи отрицательной обратной связи резистор 31, с помощью которого можно изменять коэффициент передачи, и исследуемый нелинейный элемент 1, а также амплитудный детектор 32, соединенный с выходом усилителя 30, генератор 33 переменного напряжения, блок 34 нап ряжений смещения и два переключателя
35 и 36. С помощью переключателя 35 ,на два положения можно изменять полярность напряжений смещения блока 34 в случае исследования трехполюсных нелинейных элементов, например полевых транзисторов с различным типом проводимости канала. - Переключатель 36 на четыре положения с тремя направляюшими, каждая по порядку представляющая собой соответственно .первый, второйи третий выходы 37 - 39 преобразователя 2, позволяет переводить преобразователь в необходимый режим преобразования физических параметров в напряжение, например емкости С варикапов и активной проводимости 5 крутизны S
im тока 1 полевых транзисторов.
Для создания нормального режима работы вход преобразователя. 2, которым является вход операционного усилителя 30 и первый выход 37 этого же преобразователя соединены раздельно с первой и второй клеммами 40 и 41 для подключения исследуемых элементов 1. Третий выход преобразователя 2 подключен к второму входу 42 второго суммирующего блока 10 (фиг. 2), выход которого соединен с третьей клеммой 43 для подключения исследуемых элементов 1.. Для исследования двухполюсных нелинейных элементов, например варикалов, эти эле0&8982 10 менты подключают к первой и третьей клеммам 40 и 43, при этом вторая клемма 41 остается свободной.
Второй суммирующий блок (фиг. 2) выполнен в виде широкополюснбго пассив ного сумматора, на активном резисторе
44 сравнительно небольшого номинала которого цроисходит суммирование относительно низкочастотных, включая .пос19 тоянную составляющую, сигналов, пос . тупающих на первый вход 45 с выхода об- первого суммирующего блока 9 (фиг. 1) и относительно высокочастотных сигналов, поступающих на.второй вход 42 с третьед го выхода 39 преобразователя 2 (фиг. 2).
Величины реактивных элементов второго суммирующего блока 10 (фиг. 2) выбраны такими, что исключается взаимное влия- ние источников сигнаЛов, действующих
2Е в этом блоке.
Динамика процессов, протекающих в устройстве, состоит в следующем, При подключении к соответствующим клеммам 40 — 43 (фиг. 2) устройства д исследуемого нелинейного элемента 1, например полевого транзистора, и переводе с помощью переключателей 35 и
36 в необходимый режим работы преобразователя 2 физических параметров в ЗЕ напряжение, например в режим преобразования крутизны S (фяг. 2), рабочая точка нелинейного элемента оказывается смещенной в область максимальных значений параметров исследуемой харак35 теристики P =КИ) (фиг. 3) под влиянием большого разностного сигнала, возникающего во втором сравнивающем Gnoке 12 (фиг. 1) за счет действия опор- . ного напряжения блока 11 и отсутствия
40 в данный момент времени напряжения синхронного демодулятора 4. Кроме.этсьго, под влиянием большого разностного сигнала, образующегося за счет аналогичных действий в третьем сравниваю4$ щем.блоке 17, коэффициент передачи третьего аттенюатора 18 становится максимальным и модулирующее напряже, ние генератора 19 без заметного ослабI ления передаетсь ".îâìecòío с напряжеинем второго сравнивающего блока 12 й, через первый и второй суммирующие блоки 9 и 10 на управляющий электрод исследуемого нелинейного элемента 1, что способствует образованию на втором выходе 38 (фиг. 2) пуеобуазователя 2 напряжений (фиг. 3) в виде суммы постоянного, пропорционального величине параметра Р (u (P) - Р К), и перемен. ного, пропорционального приращению пара11 9989 метра dP (ОО (P) = hP (д) независимо от местонахождения рабочей точки на ис- спедуемой характеристике.
Образующийся на втором выходе преоб.разователя 2 сигнал поступает для обработки на один иэ суммирующих входов суммирующе-вычитаюшего блока 15 и информационные входы синхронных демодуляторов 3 и 4, причем второй синхронный демодулятор 4 в данный момент времени 10 оказывается открытым для приема информации под действием первого. импульса (фиг. 3 r), вырабатываемого генератором 6. Получаемое не выходе синхронного демодулятора 4 напряжение, не содержащее,модулируюшего сигнала генератора 19, преодолевая во втором
; сравнивающем блоке 12 опорное напряжение блока 11, переводит рабочую точку нелинейного элемента 1 на участок рй характеристики, определяемый начальными условиями с последующей стабилизацией в установившемся режиме величины параметра P (4) (фиг. За) с заданной точностью, независимо от влияния раз- д личных факторов, за счет изменения напряжения смещения, создаваемо
ro на выходе сравнивающего блока 12, которое поступает на один иэ входов второго вычитаюшего блока 28, а также на регистрируюший прибор 29, Одновременно с этим полное выходное напряжение преобразователя 2 в суммируюше-вычитаюшем блоке 15 вычитается с опорным напряжением блока
11, образуя на выходе блока 1" только переменную составляющую .напряжения
ЬО (P) (фиг . 3a), пропорциональную приращению ЬР (V ) (фиг. Зв). Получае46 мое переменное напряжение, преобразуясь во втором линейном нреобраэователе 16 в постоянное (фиг. 3 ж), цреодолевает в третьем сравнивающем блоке 17 опорцое напряжение блока ll и изменяет коэффициент передачи . третьего аттенюато45 ра 18 таким образом, чтобы в установившемся режиме сохранить постоянной с заданной степенью точности и независимо от влияния различного рода факторов, в том числе и напряжения смешения нелинейного элемента, величину приращения д И (Р)МР(4) (фиг. 3 в), действующего на выходе преобразователя, что возможно за счет изменения прирашения напряжения ЬО (1))=Д 4 (9) (фиг. 3 б), создаваемого генератором 19 модулирующего напряжения на выходе третьего аттенюатора 18. При таких условиях выход82 12 ное напряжение третьего аттенюатора
18 (фиг. Зз), несущее информацию с производной физических параметров в точке P (g) исследуемой характеристики нелийейного элемента 1, поступает в первый линейный преобразователь 20, где превращается в постоянное напряжение (фиг. Зи), пропорциональное приращению аргумента дч)(Q ) и накапливается в четвертом синхронном демодуляторе 22, который в рассматриваемый момент времени оказывается открытым для приема информации так же, как и синхронный демодулятор 4, под влиянием первого импульса (фиг. Зг) генератора 6. Образуемое на выходе синхронного демодулятора 22 напряжение воздействует на соответствующие входы первого вычитающего и перемножаюшего блоков 24 и 27.
По окончании управляющего импульса генератора 6, длительность которого зависит от времени установления переходных процессов в рассматриваемых системах авторегулировок, второй и четвертой, синхронные демодуляторы 4 и 22 переходят в режим хранения накопленной информации соответственно о величинах параметра Р (М ) и приращения аргумента д4(М ), а первый и третий синхронные демодуляторы 3 и 21, воспринимая с второго выхода генератора 6 управляющий импульс (фиг. Зд) — в режим приема информации. Одновременно с этим импульс с второго выхода генератора 6 открывает для передачи информации первый и второй пропорциональные. модуляторы 5 и 13, а также разрешает регистрирующему прибору 29 измерение и индикацию одного из параметров аппроксимации 4 — напряжения смешения, действующего на выходе второго сравнивающего блока 12, которое к данному моменту времени оказывается установившемся и соответствует величине исследуемого физического параметра Р ()) связи генератора 6, синхронизирующие работу регистрируюего прибора 29, (не показаны).
При этом напряжение, хранимое во втором синхронном демодуляторе 4, сравнивается с приобретаемым напряжением первого синхронного демодулятора 3 в первом сравнивающем блоке 8, на выходе которого, из-за явного преобладания в данный момент времени выходного напряжения демодулятора 3, образуется резкий перепад напряжения, который через. открытый первый пропор13 . -998982 14 циональный модулятор 5, первый и вто- системы стабилизации приращений - посрой суммирующие блоки 9 и 10 беспре- ToRHGTBo приращений параметров (8) непятственно передается на управляющий зависимо от местонахождения рабочей электрод нелинейного элемента 1 и сме= . точки на исследуемой характеристики щает рабочую. точку в область меньших . > (фиг. 3a) за счет авторегулировки Ио; значений- физических параметров P (4 ), - дулируюшего воздействия dU (V)= 5V fV<) вызывая тем самым модуляцию парамет- (фиг. 36, э), образуемого на выходе ров исследуемого нелинейного элемента третьего аттенюатора 18 и несущего и одновременно изменение производной информацию о производных, входящих в в соответствии с новым значением нап- и выражения (6) и (7). ряжения смещения. (Получаемое на втором выходе преоб Одновременно с протеканием переходразователя 2 напряжение с меньшим ных процессов и установлением стациоуровнем U (P ) Р (3>) после слежения нарного режима работы рассмотренных с частью опорного напряжения, поступаю- д3 систем.стабилизации производится даль;- щего от блока 11 через открытый втор@ -.нейшее непрерывное преобразование их. пропорциональный:модулятор 13 и четвер- выходных сигналов в канале обработкй тый аттенюатор 14, имеющий. коэффи- - информации о приращениях напряжений ниент передачи равный (1-rn ), полностью йЧ(4) и Д4 9., )и формирования..обобщенкомпенсируется в суммируюше-вычитаю- Зй ного параметра М, а также в каналах шем блоке 15 с полным опорным напри- измерения искомых нарам@тров аЕ и фо . жением блока 11, создавая на выходе . Выходное напряжение (фиг. Зз) третьеблока 15 только переменную составляю- го аттенюатора 18 снова выпрямляется Ю Я йРф )(фиг. 2в) меньшей в первом линейном преобразователе 20 амплитуды, однако система стабилиза- 33 и в виде постоянного напряжения (фиг. Зи) ! ции приращений физических параметров пропорционального приращению аргумента дР, стремясь. воспрепятствовать из- йМ (М. ), накапливается в третьем синхменению этой амплитуды (фиг. 2е) пос- рокком демодуляторе 21. Данная инфор» ле ее выпрямления .(фиг. 2ж) во втором мация о приращении аргумента участвулинейном преобразователе 16 и сравне 34 ет в соответствии с (12) в формирова ния в блоке 17.вызывает скачкообраз- . нии обобщенного параметра М., т.е. ное изменение коэффициента передачи — . ослабляется в необходимые числа. раз в третьего аттенюатора 18 и, следова- . первом аттенюаторе 23 (коэффициеит тельно, увеличение на его выходе моду- передачи аттенюатора равен m ), вычилируюшего напряжения (фиг. Зз), соэ- тается в блоке 24 с хранимой инфор»даваемого генератором 19. манией четвертого синхронного демо- - .
- По истечении предельного короткого дулятора 22, а получаемая разность интервала времени, неотмеченного на . напряжения управляет коэффициентом диаграммах .(фйг. 36, в, е, ... и), дан- . деление делящего блока 25, на выходе ные системы стабилизации приходят в которого после взаимодействия с нацряравновесное состояние, непрерывно нод- жением (u- u„)=- (V — 9. ) (фиг. Зб)
40 держивая постоянными -с заданной сте- первого сравйивающего блока 8. обра. пенью точности значение .физического зуется напряжение, пропорциональное параметра Р(М. ) и соответствии с уров- : обобщенному параметру М. Далее-это нем затухания второго аттенюатора 7, .- напряжение, проходя масштабный преоба также величину приращения этого па-,разователь 26, порождает в соответст-43 раметра dP(V<).в точности равного при- вии с (13) напряжение, пропорциональращению и Р Й} в соответствии с уровнем . ное искомому. параметру,, а также.
:опорного напряжения, имеющегося на взаимодействуя ь.-=соответствии с (14) втором выходе блока ll. При этом в .. в церемножающем блоке с хранимым результате работы системы модуляции Зй напряжением четвертого синхронного достигается необходимая глубина модуля- демодулятора 22 и во втором вычитаюции (9) физических параметров нелиней- щем блоке 28 e выходным напряжением ного элемента (фиг. Зв), независимо от второго сравнивающего блока 12, напвлияния различного рода факторов, эа ряжение,. пропорциональное искомому счет стабилизации абсолютной разности 33. параметру о . Образуемые на выходах напряжений jU(V)-0, (ОЩ 9-М,Д (фиг. Зб), масшабного преобразователя 26 и втообразуемой на выходе первого сравниваю- рого вычитаюшего блока 28 напряжения щего блока 8, а в результате работы поступают на регистрирующий прибор 29.
15 99
Таким образом, по установлению в системах модуляции и стабилизации приращений физических параметров переходных процессов, когда выходные напряже-. ния первого сравнивающего блока 8 и третьего аттенюатора 18 станут в точности соответствовать разности напряжений 4- 1)„и приращению D4(4 ), генератор 6, заканчивая формирование управляющего импульса (фиг. 2д) на своем втором выходе, переводит первый и,третий синхронные демодуляторы 3 и 21 в режим хранения накопленной информации соответственно о величине физического параметра P (9.1) .(фиг. Зв) и прираще» нии аргумента b9(4 ) (фиг. Зб), а также прекращает передачу информации через первый и второй пропорциональные модуляторы 5 и 13 и разрешает регистрирующему прибору 29 изменение с по-следующей индикацией выходных напряжений масштабного преобразователя 26 и второго вычитающего блока 28, которые к данному моменту времени ока. зываются точно соответствующими измеряемым параметрам аппроксимации
Э„и )о исследуемой характеристики нелинейного элемента 1.
Исчезновение напряжений на выходах первого и второго пропорциональных модуляторов 5 и 13 прекращает работу системы модуляции физических параметров и напряжение смещения возвращается к прежнему значению аргумента независимо от состояния режима работы нелинейного элемента 1 и преобразователя 2. Это связано с тем, что система нормирования физических параметров сохраняет прежний режим работы, так как состояние второго синхронного демодулятора. 4 пока остается неизменным.
При этом система стабилизации приращений физических параметров работает двояко в зависимости от состояния режима работы нелинейного элемента 1 и преобразователя 2, который, начиная с ! данного момента времени, может быть . произвольно изменен, включая смену нелинейного элемента и переключение предела измерения. Если нелинейный .элемент 1 исключен, и, следовательно, отсутствует како либо напряжение на втором выходе преобразователя 2, то эта система возвращается в исходное состояние, при котором переменное напряжение на выходе третьего аттенюато.ра 18 становится максимально возможным. B противном случае система стабилизации приращений физических парамет
8982 16
25
ЭО
Э5
55. ров 0Р описанным выше способом стремится сохранить неизменным приращение йР(4)Ч Р(Й )независимо от абсолютного значения параметра Р, соответствующего значению аргумента 4 . Если нелинейный элемент 1 остается подключенным к измерительным клеммам преобразователя 2 с сохранением исходного режима работы обеих, то рабочая точка на иссле дуемой характеристике возвращается (фиг. 3а, в,) к прежним. значениям параметра P(4) и его приращению bP(4)=
=ЬР (1)„), и устройство подготавливается к новому циклу измерений, исходя уже не из нулевых (исходных) условий, а с новых, соответствующих нынешнему состоянию рассматриваемых систем стабилизации.
Спустя некоторое предельно короткое время . ь" (фиг. 3r, д), достаточное только для установления показаний регистрирующего прибора 20 или изменения режима работы преобразователя 2, например выбора иного предела измерения параметров, включая смену исследуемого нелинейного элемента, снова срабатывает генератор 6, и управляющий импульс (фиг. Зг) с его первого выхода снова открывает для приема информации второй и четвертый синхронные демодуляторы 4 и 22, приводя тем самым дополнительно в действие систему нормирования физических параметров, начинающую работать с нового состояния (при отключении исследуемого элемента она возвращается в исходное состояние) и канал отработки информации о приращениях напряжений М()и й1 (М ) и формирования обобщенного параметра М. В дальнейшем процессы в измерительном устройстве периодически повторяются описанным выше спосс= бом, производя по избранной программе измерение тех или иных параметров нелинейных элементов.
Индикация измеряемых величин может производиться : параметров ае. и Д вЂ” за время действия каждого из управляющих импульсов (фиг. Зг), эа исключением первого, образуюшихся на первом выходе генератора 6, т.е. за время измерения параметров следующего нелинейного элемента: параметра, как было отмечено выше, - эа время действия управляющих импульсов (фиг. Зд), имеющихся на втором выходе генератор.:; 6: смена нелинейного элемента или его режима работы, включая изменение -pegeae измере17; 998QS2 18 : ння преобразователя2-заинтервал време-- и являются преобладающими при отклони t, образуемый между импульсами g . нениях степени аппроксимирующего по(фнг. Зд), появляющимися последова- . линома от единицы, достигая десятков тельно на втором н первом выходах ге- процентов, а также реализацией соответнератора 6, который при необходимости 5 ствуюшего алгоритма работы устройства, может регулироваться в -шйрокнх пределах, позволяющего в автоматическом режи включая режим Останов". Индикация ме одновременно измерять все парамевдругих параметров аппроксимации, а имен ры аппроксимации с минимально возможно значейий.физических параметров в ными погрешностями, ускоряя тем самым исследуемой точке характеристики p (j) ), 1Ф процесс измерений. производится:с помощью указатепя попо- Йпя количественной оценки вйигрыща жения управляющего органа резистора 31 . в точности измерений параметров ис(фиг. 2), сопряженного .с масштабным следуемых элементов целесообразно и с преобразователем 26, который может ходить из сравнения соответствующих быть оцнфрован в значениях пределов 15 сумм систематических (аддитивных) и измеряемых величин (фиг. 2) с указа .. спучайных (среднеквадратических) сооннем соответствующих:наименований тавляюших погрешностей, образуемых физических единиц, например пикофарад в известном д . и +» и предлагае(пф), микросименсов (мкСм), микроам- мой,, p и / - « устройствах за счет
irep (мкА) в зависимости от вида ис- . р влияния различйого рода факторов: следуемых характеристик ненинейного элемента (переключатель 36). . Выбор цредела измерения физических параметров при исследовании одного и того же нелинейного элемента на пока- 25 заниях регистрирующего прибора 29, измеряющего параметры Ж и },, не должен оказываться, если только харак-, теристики этого элемента соответствуют степенной функции, так как прн измен - 5р нин коэффициента передачи преобразова теля 2 автоматически подстраивается обобщенный параметр М (12), входящий в. выражения (13) и (14); и одновременно корректируется ко=-ффициент передачи масштабного преоДразователя 26, так, что отношение, представленное в аналоговых величинах, остается постоянным. Если при изменении предела наблюдаются различия в измеряемых параметрах. ж и ф0, то это свидетельствует о том, что анализируемый интервал характеристики не. соответствует степенному полиному и его необ-. ходимо сузить, причем характерным,. признаком для установления границ эт го интервала может явиться допустимое отклонение измеряемйх величин у. и Д0.
Предлагаемое устройство отличается ,повышенной точностью и быстродейст вием измерений, что обеспечивается ис пользованием в устройстве изложенного выше метода определения параметров аппроксимапни характеристик нелинейных элементов, позволяющего- нрактически полностью исключить составляющие погрешности, обусловленных нелинейностью исследуемых характеристик, которые присущи известным методам измерений
О. 1
1 у1 ° Ю д - - 3». 3 . в Г)
Таким образом, для достоверной оценки выиграша (15) достаточно определить лишь аддитивную составляющую погрешности известного устройства и среднеквадратическую предлагаемого, .так как из вышеизложенного справедливь соотношения 1 *!"Ж! ) ;;,I l ;;, Аддитивная составляющая погрешноо ти измерения параметра в самом общем виде . + «.
0 0
Aî= м С ь) где 4, - пороговое напряжение, исследуемой характеристики нелинейного элемента, получаемое с помощью известного устройст-ва при отличии степени аппроксимирующего полинома от еди ницы.
В.связи с тем, что изв ртное устройство -ювано на линейной аппроксимации характеристик нелинейных элементов, то для нахождения величины 4 достаточно нэ исследуемой характеристике (фиг. 4а) провести прямую, проходящую через три ! точки с координатами
".14„РЯ j „mp(ep), с(ч», o).
Уравнение прямой, проходящей через
: данные точки, имеет вид о + 0-РИ)
1 -М Р(М)-трИ) 998982 20 известного устройства можно оценить на основании (3) при условии, что па4 аа раметр р(1)) и его производная > onдU ределяется точно, а прраметр 40 прибя лиженно, - в соответствии с (17)
< - о — () ) — Рж ) - ) 0 дР - 0 . 1)0
à > v()
Принимая во внимание (16), получаем искомую погрешность в удобном для практического использования виде
Отсюда
У00
Ае = 0 (20) Х, ч )
+(8 o м)" М 3 Р" )-")1 =М- — . l11i О п1 Разность аргументов . )-1 является промежуточной величиной (неудобной дл практического использования) и ее цельсообразно представить через измеряемь параметры. Для этого воспользуемся исходным соотношением (1) и составим уравнение p(v) . пр(м1 ® . М1 Ж решение которого позволяет определить искомую величину М-М1 10 (1- Мт ) — 4 1), (18) О Подставляя (17) и (18) в (16), получаем 20 Ж X d Ч0,=, . » (-) (9) О Для значений параметров „ = 0,25, 2s rn = 0,5, М = 2, характерйых для таких нелинейных элементов как, например, полевые транзисторы, при измерениях на известном устройстве &01 =d 0 „, т а? пт "-31,5%. При исследовании на этом же щ устройстве, например варикапов с х — 0,5, целесообразно принять = — 1, тогда при т = 0,5 погрешность опре1 О деления контактнбй разности потенциалов составит сК =д Ч „ - 200%. Аддитивную составляющую погрешности измерения параметра ар, с помощью С учетом ранее принятых численных значений параметров, входящих в (20), для тех же нелинейных элементов соответственно имеем d зе „-42% и д ж =-со Отсюда следует, что. оценить относительно точно значение параметра ж с помощью известного устройства не представляется возможным. Среднеквадратические составляющие погрешности изМерений параметров )о и ®, характерные для предлагаемого устройства, определим на основании соотношений (13) и (14) путем почленного дифференцирования по каждому из пара.— метров, влияющих. на точность измерений, с последующим геометрическим суммированием получаемых частных составляющих ()) a (),) (22) гДе d ß d ) d Ä (1Ö, P(,Ó) Д Р()) - среднеквадратические составляющие погрешности формирования параметров М, 1,Д4(М),Р(1Ц, дР(ф}, обусловленные несовершенством соответствующих систем стабилизации. В связи с тем, что в предлагаемом устройстве испош зованы однотипные статические системы стабизизации, отмеченные составляющие погрешности, за исключением первой, оказываются равновеликими и могут быть приняты каждая в отдельности примерно равными (d + 0,1%). В формировании обобщенного параметра М (12) участвуют. практически все системы устройства и составляющую O Ì следует рассмотреть более подробно. 4$ Анализируя соотношение (12) нетрудно заметить, что между величинами М(1))и д4(4 )существует строгая корреляционная связь. Во- первых, они формируют, ся одной и той же системой стабилизации приращений, во- вторых, их соотношение определяется, очевидно, параметрами аппроксимации, и, следовательно, зависит от коэффициента ю . Действительно, решая совместно (12), (14) и (18), можно установить, что Ь)(М1) "Г (2Ъ) )() 21. Подставляя (23) и (12), получаем 1 м.-. 41($) 1- Ì8082 22. На основании (24), по аналогии с (21) и (22), запишем выражение для среднеквадратической составляющей по решности формирования обобщенного па раметра М! ",rJle УИ-Ю.,)и д „„- составляющие погрешности формирования разности аргументов 4-4, и коэффициентаm. Первая составляющая определяется несовершенством системы модуляции .физических параметров, а вторая - нестабильностью коэффициента передачи второго аттенюатора 7. При равновеликих частных среднеквадратических составляющих погрешности (д . = d ) формирования обобщенного параметра М, что на практике обыч но имеет место, соотношение (25) мож . но чредставить в виде d É=ч д, (26) где весовой коэффициент ° (И) () Представленная на фиг. 46 графическая интерпретация соотношения (27) в функции параметра m для различных значений степени аппроксимирующего полинома у показывает цепесообразt ность выбора значения коэффициента в пределах 0,1 ... 0,2, в отличие от известного устройства, где рекомендо вано значение m = 0,5. В соответствии с графиком (фиг. 46) при m = 0,15, ж = 2, что характерно для полевых транзисторов, весовой коэффициент М = 1,45, и если принять К"=+ +0,1%,.то, согласно (26) или (25), РМ "- + 0,145%. Аналогично для ваот рикапов: Ж = -0,5; - Ц = 2,5 и 3 М = g 0,25%. Подставляя данные численные значения для д М в (21) и (22) и принимая, = 0,25 (для полевых транзит торов) и = - 1 (для варикапов), а о также полагая другие частные составляющие, входящие в (21) и (22), равными + О, 1%, соответственно поI Выигрыш в точности измерений по рогового напряжения и стейени аппроксимирующего полинома в соответствии с (15) для полученных численных зна13 чений. аддитивных (19), (20) и среднеквадратических (21),ф (22) составляющих погрешностей составляет: а) нри исследовании характеристик полевых транзисторов oZnX аот р,1 = пФ; B 00 flT, «BOY опт 6) при исследовании характеристик вари33 капов gaza j zsj В =,-„, 6„= os j voiisj в 3 а„- ) 30 Количественную оценку выигрыша в быстродействии измерений можно произвести лишь ориентировочно на основании сравнения времен уравновешивания известного устройства и предлагаемого, 3S которые оказываются примерно равными. Однако известное устройство за это время способно измерить лишь один основной параметр - пороговое напряже40 ние (напряжение отсечки), а предлагаемое устройство - как минимум, двапороговое напряжение и степень аппроксимирующего полинома. Поэтому можно считать, что выигрыш по быстродейсъ43 вию измерений составляет не менее двух раз. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным обладает высокой эффективностью и позволяет существенно повысить точность измере ний параметров. аппроксимации характеристик нелинейных элементов, а также ; ускорить процесс измерений. Это устройство, как наиболее эффективное, целесообразно для использования в подсистемах технической диагностики нелинейных элементов автоматизированных систем контроля параметров различной радиоэлектронной аппаратуры. 23 9 Формула изобретения 98982 24 щего блока соединен с выходом второго дом суммирующе-вычитающего, блока, 15 щ к соответствующему выходу генератора импульсов, выход .первого линейного входами третьего и четвертого синхронных демодуляторов, управляющие входы а Устройство для измерения параметров аппроксимации характеристик нелинейных элементов, содержащее регистрирующий прибор, генератор импульсов, выходы которого соединены с управляющими . входами первого модулятора, первого и второго синхронных демодуляторов, выход. первого синхронного демодуля-. тора подключен через первый аттенюатор к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго синхронного демодулятора, а выход соединен с входом первого модулятора, преобразователь физических параметров в напряжение, первый вход которого соединен с входом первого и второго синхронных детекторов, а второй выход и вход соединены соответственно с первой и второй клеммами для подключения исследуемого прибора, ген ратор модулирующего напряжения и второй аттенюатор, выход которого подкл очен к первому входу первого вычитаюшего блока,,о т л и ч а ю щ е е с я . тем, что с целью повышения точности и быстродействия измерений, в него введены третий и четвертый аттенюаторы, второй модулятор, третий и четвертый синхронные демодуляторы, масштаб- ный и первый и второй линейные преобразователи напряжений, блок деления, блок умножения, первый и второй сум, мирующие блоки, суммирующе-вычитаю, ший блок, второй вычитающий блок, второй и третий сравнивающие блоки и блок опорных напряжений, причем выход генератора модулирующего напряжения через третий аттенюатор соединен с входом первого линейного преобразователя напряжений и с первым входом первого суммирующего блока, второй и третий входы которого подключены к выходам первого модулятора и второго сравнивающего блока, а выход - к пер- . . вому входу второго суммирующего блока, второй вход которого подключен к третьему выходу преобразователя физических параметров в напряжение, а выход - к третьей клемме для подключения исследуемого полупроводникового прибора, первый вход второго сравнивакьсинхронного. демодулятора, второй подключен к входу второго модулятора, первому вычитающему входу суммирующе-вычитаюшего блока и первому выходу блока опорных напряжений, второй вход третьего аттенюатора подключен к выходу третьего сравнивающего блока, один вход которого соединен с вторым выходом блока опорных напряжений, а второй через второй линейный преобразователь напряжений соединен с выховторой суммирующий вход которого подключен к второму выходу преобразователя физических параметров в напряжение, а третий - через четвертый атте . нюатор к выходу второго модулятора, управляющий вход которого подключен преобразователя напряжений соединен с д которых подключены к соответствующим выходам генератора импульсов, а выходы - соответственно к входу первого аттенюатора и к вторым входам перво го вычитающего и перемножающего блозо ков,соответствующие входы блока деления соединены с выходами первого сравнивающего и первого вычитающего блоков,а выход - с первым входом перемножающего блока и через масштабный преобразователь 35 напряжений, с одним из входов регистрирующего.прибора, другие входы которого подключены раздельно к выходам второго сравнивающего и второго вычитакощего блоков, первый вход которого под, ключен к выходу второго сравнивающего блока, а второй - к выходу перемножающего блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Каскады радиоприемников на полевых транзисторах. Под ред. Н. Г. Петрова. М., «Энергия", 1974, с, 192, (Б-ка по радиоэлектронике, вып. 50) с. 13-17. 2. Авторское свидетельство СССР № 543894, кл. G 10 R 31/26, опублик. 18.05.77, (прототип). 998982 Дд 0 и 6 еи 0 жи О уи Фиг3 ерЯ D,f 02 03 ач of tn У Фиа4 ВНИИПИ Заказ 1 150/ 69 Ти раж 708 Подписное Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Прокетная, 4
