Устройство для измерения импеданса и тока полупроводникового прибора на инфранизких частотах
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области измерения импеданса и тока полупроводниковых приборов на инфранизких частотах в диапазоне (0.01-10) Гц. и может использоваться для измерения и импеданса любых двухполюсников на инфранизких частотах. Полезная модель позволяет компенсировать постоянную составляющую тока на инфранизких частотах (0,01-10) Гц, что расширяет динамический диапазон измерения переменной составляющей, и повышает точность измерения импеданса. Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в расширении частотного диапазона измерения импеданса в область инфранизких частот до 0.01 Гц, в расширении динамического диапазона измерения импеданса, в расширении диапазона измерения постоянного тока, протекающего через исследуемый полупроводниеовый прибор от генератора смещения, повышении точности измерения импеданса на инфранизких частотах., а так же в упрощении конструкции устройства и расширении ассортимента устройств данного назначения. Формула изобретения содержит 1 независимый пункт и 3 зависимых пункта.
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых приборов и может быть использована также для измерения импеданса любого двухполюсника.
Импеданс двухполюсника - это его комплексное или полное сопротивление, включающее активную составляющую - сопротивление или проводимость и реактивную составляющую - емкость и индуктивность. Измерение импеданса полупроводникового прибора - его емкости и проводимости, на инфранизких частотах дает информацию для исследования медленных релаксационных процессов, связанных с захватом и выбросом электронов на глубокие уровни, локализованные в запрещенной зоне диэлектрических слоев прилегающих к границе раздела полупроводник - диэлектрик.
Принцип работы измерителей импеданса следующий. На первый зажим измеряемого прибора подается сумма постоянного смещения и малого тестового сигнала заданной частоты, со второго зажима снимается и измеряется фазочувствительными цепями реальная и мнимая компоненты сигнала тестовой частоты и постоянная составляющая. По полученным результатам вычисляется составляющие импеданса и постоянный ток. При исследовании полупроводниковых приборов интерес представляют малосигнальные характеристики импеданса, получаемые при амплитуде тестового сигнала (10-20) мВ и напряжении смещения до (10-50 В). Специфика измерения импеданса полупроводникового прибора на инфранизких частотах заключается в том, что необходимо измерять очень малые сигналы тестовой частоты на фоне большого постоянного тока, протекающего от источника смещения.
Известно техническое решение, используемое в измерителе импедансов E7-25 производства ОАО 
Минский научно-исследовательский приборостроительный институт
(http://mnipi.ru/products.php4?group=6&device=4) Измеритель импедансов предназначен для измерения составляющих комплексного импеданса исследуемого объекта на частотах 25 Гц - 1 МГц и отображения функциональных зависимостей этих параметров, запоминания и документирования результатов измерений.
Недостатком известного технического решения является то, что измеритель не может измерять импеданс в диапазоне инфранизких частот (0.01-10) Гц.
Известно техническое решение, используемое в измерителе RLC- параметров электронных цепей LCR-817 (http://www.gwinstek.com/en/product/productdetail.aspx?pid=39&mid=79&id=188), предлагаемой фирмой GW Instek. Это универсальный прибор для измерения составляющих импеданса электрических цепей в диапазоне частот 12 Гц - 100 КГц.
Недостатком известного технического решения является то, что измеритель LCR-817 не может измерять импеданс в диапазоне инфранизких частот (0.01-10) Гц.
Известно техническое решение для измерения импеданса, содержащее генератор тестовой частоты, выход которого соединен с входной клеммой для подключения исследуемого импеданса, операционный усилитель, два аналоговых умножителя, два аналоговых интегратора (выполняют функцию фильтров нижних частот), переключатель, аналого-цифровой преобразователь, цепь обратной связи, блок вычисления и управления (Патент 
2846926, «MEASURING DEVICE FOR IMPEDANCE», МПК G01R 27/02,.дата публикации 13-01-1999), выбранное в качестве прототипа. Применение операционного усилителя, умножителей и цепи обратной связи позволило повысить точность измерений реальной и мнимой компонент импеданса.
Недостатком известного технического решения является то, что оно не обеспечивает измерение импеданса и тока полупроводникового прибора на инфранизких частотах в диапазоне (0.01-10) Гц. Это обусловлено невозможностью реализации аналоговых фильтров нижних частот, функцию которых в прототипе выполняют интеграторы, в диапазоне инфранизких частот (0.01-10) Гц. Умножители в прототипе выполняют функцию выпрямителя сигнала тестовой частоты. Для фильтрации выпрямленного сигнала частотой 0.01 Гц и погрешностью 1%, постоянная времени и время установления интегратора должны быть более 1000 сек., что на практике неприемлемо.
Перед автором ставилась задача разработать устройство для измерения импеданса и тока полупроводникового прибора, которое бы позволило выполнять измерения импеданса в диапазоне инфранизких частот (0.01-10) Гц, при минимальном времени измерения 1 период.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения импеданса и тока полупроводникового прибора на инфранизких частотах, содержащее генератор тестовой частоты, исследуемый полупроводниковый прибор, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления и управления, фильтр нижних частот, дополнительно содержит измерительную головку, разъем для подключения измерительной головки, усилитель, генератор смещения, сумматор, цифро-аналоговый преобразователь, преобразователь напряжение - ток, а операционный усилитель размещен в измерительной головке, при этом исследуемый полупроводниковый прибор установлен между первым входом измерительной головки и выходом сумматора, выход измерительной головки подключен к фильтру нижних частот, выход которого подключен к входу усилителя, выход усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, последний подключен к блоку вычисления и управления, выход блока вычисления и управления подключен к входам генератора тестовой частоты, генератора смещения и цифро-аналогового преобразователя, выходы генератора смещения и генератора тестовой частоты соединены с входами сумматора, выход которого подключен к входу исследуемого полупроводникового прибора, выход цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом измерительной головки, причем измерительная головка выполнена вынесенной из конструкции устройства и содержащей разъем для подключения ее к основному устройству, далее измерительная головка выполнена содержащей преобразователь напряжение-ток и операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включены набор последовательно соединенных резисторов и ключей, далее преобразователь напряжение - ток выполнен в виде набора резисторов и ключей.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в расширении частотного диапазона измерения импеданса в область инфранизких частот (0.01-10) Гц, в расширении динамического диапазона измерения импеданса, в расширении диапазона измерения постоянного тока, протекающего через исследуемый полупроводниковый прибор от генератора смещения, повышении точности измерения составляющих импеданса на инфранизких частотах., а так же в упрощении конструкции устройства и расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг.1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого устройства для измерения импеданса и тока полупроводникового прибора на инфранизких частотах, где 1 - исследуемый полупроводниковый прибор, 2 - измерительная головка, 3 - фильтр нижних частот, 4 - усилитель, 5 - аналого-цифровой преобразователь, 6 - блок вычисления и управления, 7 - генератор смещения, 8 - цифро-аналоговый преобразователь, 9 - сумматор, 10 - генератор тестовой частоты.
На Фиг.2 представлена блок-схема измерительной головки, где 11-преобразователь напряжение-ток, 12 - операционный усилитель, 13, 14, 15 - резисторы, 16, 17, 18 - ключи.
На Фиг.3 представлена блок-схема преобразователя напряжение - ток, где 19, 20, 21 - резисторы, 22, 23, 24 - ключи.
Заявляемое устройство для измерения импеданса и тока полупроводникового прибора на инфранизких частотах работает следующим образом. Исследуемый полупроводниковый прибор 1 установлен между первым входом измерительной головки 2 и выходом сумматора 9, который суммирует сигнал с выхода генератора смещения 7 и сигнал тестовой частоты от генератора тестовой частоты 10. Измерительная головка 2 преобразует постоянный и переменный токи, протекающие через исследуемый полупроводниковый прибор 1, в напряжение. Измерительная головка 2 вынесена из устройства с целью размещения ее вблизи исследуемого полупроводникового прибора 1, что уменьшает паразитную емкость линии связи между исследуемым полупроводниковым прибором и измерителем и повышает помехоустойчивость устройства. Выход измерительной головки 2 подключен к фильтру нижних частот 3, который подавляет высокочастотные помехи, затем сигнал усиливается усилителем 4 и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5, результат вводится в блок вычисления и управления 6. Перед началом измерения импеданса компенсируется постоянная составляющая тока, протекающая через исследуемый полупроводниковый прибор 1 от генератора смещения на вход измерительной головки 2. Компенсация постоянной составляющей тока позволяет расширить динамический диапазон измерения переменной составляющей, что повышает точность измерения импеданса. На инфранизких частотах переменная составляющая тока, протекающего через исследуемый полупроводниковый прибор, может быть на (3-5) порядков меньше постоянной составляющей тока. На частоте 0.01 Гц емкость 10 пФ имеет реактивное сопротивление ~1.6·1012 Ом, и, следовательно, при амплитуде тестового сигнала 15 мВ, используемой для получения малосигнальных значений импеданса, переменная составляющая тока составит ~10·10 14 А. При напряжении смещения 10 В постоянная составляющая тока может иметь значение (1-10)·10-9 A. При этих условиях ошибка измерения переменной составляющей тока, определяющей импеданс исследуемого полупроводникового прибора, достигает 100% и более.
В устройстве используется алгоритм поразрядной компенсации тока. Алгоритм выполняется при отключенном сигнале тестовой частоты. На первом такте определяется полярность тока на входе измерительной головки 2. Для этого по команде от блока измерения и вычисления 6 выполняется измерение выходного сигнала измерительной головки 2 и определяется его полярность. На втором такте блок измерения и вычисления 6 подает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 8 команду, устанавливающую на его выходе напряжение, равного половине шкалы, полярность обратная измеренной в предыдущем такте (устанавливается двоичный код 10..00). Это напряжение преобразуется в ток преобразователем напряжение-ток 11, полученный ток алгебраически суммируется с током на входе измерительной головки 2. На третьем такте вновь измеряется полярность выходного сигнала измерительной головки 2. Если полярность совпадает с полярностью, полученной в первом такте, блок вычисления и управления 6 подает на цифро-аналоговый преобразователь 8 команду на установку его выходного напряжения равного равным % шкалы (устанавливает код 110..00); в противном случае устанавливается напряжение равное ¼ шкалы (устанавливается код 010..00). Последующие такты, число которых равно числу разрядов цифро-аналогового преобразователя 8, выполняются аналогично, в результате некомпенсированный ток на входе операционного усилителя 12 не превышает цены младшего разряда цифро-аналогового преобразователя 8. После окончания процесса компенсации в цифро-аналоговый преобразователь 8 будет записан код, пропорциональный постоянному току, протекающему через полупроводниковый прибор 1, имеющий противоположную полярность.
После компенсации постоянною тока включается тестовый сигнал и выполняется рабочее измерение выходного сигнала измерительной головки 2, в процессе которого в память блока вычисления и управления 6 записывается целое число периодов тестовой частоты. Для этого частота запуска аналого-цифрового преобразователя 5 выбирается кратной и синфазной тестовой частоте. При запуске измерения фаза тестового сигнала устанавливается нулевой. В блоке вычисления и управления 6 генерируется цифровые синусная и косинусная компоненты сигнала тестовой частоты. В дальнейшем вычисления реальной (проводимости) и мнимой (емкости) составляющих импеданса осуществляются по формулам:
где G - проводимость, C - емкость, X(n) - отсчеты аналого-цифрового преобразователя 5, Sin(n), Cos(n) - значения выборок синусной и косинусной компонент сигнала тестовой частоты, генерируемых в блоке вычисления и управления 6, k - число анализируемых выборок сигнала. Приведенный алгоритм цифровой обработки сигнала реализует согласованный фильтр, который всегда обеспечивает максимальное отношение сигнал / шум на выходе.
На фиг.2 показана блок схема измерительной головки 2. Измерительная головка 2 содержит преобразователь напряжение - ток 11, операционный усилитель 12, в цепь отрицательной обратной связи которого включены набор последовательно соединенных резисторов 13, 14, 15 и ключей 16, 17, 18,. Причем первые выводы резисторов 13, 14, 15 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 12, вторые выводы соединены с первыми выводами ключей 16, 17, 18, вторые выводы ключей соединены с выходом операционного усилителя 12. Резисторы 13, 14, 15 задают диапазон измерения импеданса, ключи 16, 17, 18 подключают выбранный диапазон измерения импеданса.
На Фиг.3 приведена электрическая схема преобразователя напряжение-ток 11. Преобразователь напряжение-ток 11 содержит набор диапазонных резисторов 19, 20, 21, каждый из которых последовательно соединенен с одним из ключей 22, 23, 24. Преобразователь напряжение-ток 11 преобразует выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя 8 в ток, поступающий на второй вход измерительной головки 2. Резисторы 19, 20, 21 задают диапазон компенсации постоянного тока, ключи 22, 23, 24 обеспечивают выбор диапазона измерения тока. Операционный усилитель 12 включен по схеме трансимпедансного усилителя и имеет нулевое входное сопротивление, поэтому коэффициент передачи преобразователя напряжение-ток 11 равен:
где R - значение выбранного ключами 22, 23, 24 одного из диапазонных резисторов 19, 20, 21. Преобразователь напряжение-ток 11 совместно с цифро-аналоговым преобразователем 8 вырабатывает ток равный по величине и противоположный по знаку току, протекающему через исследуемый полупроводниковый прибор 1.
Таким образом, после выполнения процедуры компенсации, постоянный ток на входе измерительной головки 2 близок к нулю и весь динамический диапазон измерительной головки 2 используется для измерения комплексного сигнала тестовой частоты, содержащего информацию об импедансе исследуемого полупроводникового прибора. В результате чувствительность устройства по току достигает 10 -14 A, что позволяет измерять импеданс полупроводниковых приборов на частотах до 0.01 Гц. Благодаря использованию при вычислении импеданса цифровой согласованной фильтрации расширяется динамический диапазон устройства и точность измерений. Вынос измерительной головки к исследуемому полупроводниковому прибору повышает точность и помехоустойчивость измерений за счет существенного сокращения длины линии связи между измерительной головкой и исследуемым прибором.
1. Устройство для измерения импеданса и тока полупроводникового прибора на инфранизких частотах, содержащее генератор тестовой частоты, исследуемый полупроводниковый прибор, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления и управления, фильтр нижних частот, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измерительную головку, разъем для подключения измерительной головки, усилитель, генератор смещения, сумматор, цифроаналоговый преобразователь, преобразователь напряжение - ток, а операционный усилитель размещен в измерительной головке, при этом исследуемый полупроводниковый прибор установлен между первым входом измерительной головки и выходом сумматора, выход измерительной головки подключен к фильтру нижних частот, выход которого подключен к входу усилителя, выход усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, последний подключен к блоку вычисления и управления, выход блока вычисления и управления подключен к входам генератора тестовой частоты, генератора смещения и цифроаналогового преобразователя, выходы генератора смещения и генератора тестовой частоты соединены с входами сумматора, выход которого подключен к входу исследуемого полупроводникового прибора, выход цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом измерительной головки.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена вынесенной из конструкции устройства и содержащей разъем для подключения ее к основному устройству.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена содержащей преобразователь напряжение - ток и операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен набор последовательно соединенных резисторов и ключей.
4. Устройство по п.3 отличающееся тем, что преобразователь напряжение - ток выполнен в виде набора резисторов и ключей.
