Способ определения уровня нелинейности вольт-амперной характеристики безынерционного двухполюсника
Использование: в электроизмерительной технике и при разработке методов и средств неразрушающего контроля. Технический результат заключается в устранении недостатков известных способов и возможности определения значения уровня нелинейности вольт-амперной характеристики пассивного неполярного безынерционного двухполюсника при использовании степенной функции с вещественным показателем степени тока. Это достигается определением уровня нелинейности вольт-амперной характеристики безынерционного двухполюсника. Способ включает пропускание через пассивный неполярный безынерционный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока. Причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов пренебрежимо мало. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при разработке методов и средств неразрушающего контроля, определения значений параметров и электрофизической диагностики резисторов, резистивных и проводящих структур интегральных микросхем (ИМС) с низким уровнем нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ). Изобретение позволяет осуществить возможность определения значения уровня нелинейности ВАХ пассивного неполярного безынерционного двухполюсника при импульсном тестовом электрическом воздействии.
Широко известны косвенные способы определения уровня U(I) нелинейности ВАХ пассивного безынерционного двухполюсника как функции постоянного тока I, заключающиеся в определении отклонения падения напряжения на двухполюснике при пропускании постоянного тока I от значения, соответствующего идеальному двухполюснику (закону Ома) [1]. При этом предполагается предварительное определение значения сопротивления R0 двухполюсника вблизи точки равновесия (при малых значениях тока I) и напряжения U, соответствующего току I (U= R(I)I), где R(I) - зависящее от тока сопротивление контролируемого двухполюсника. Тогда значение U(I)=R(I)I-R0I. Известен также способ, осуществляющий прямое формирование аналогового сигнала-отклика, соответствующего уровню U(I) нелинейности ВАХ двухполюсника как функции тока I. Способ является основой прямого дифференциального или нулевого метода измерения сопротивления двухполюсника с использованием одинарной мостовой схемы [2]. При этом значению U(I) непосредственно соответствует параметр Uн - чувствительность мостовой схемы по току в окрестности точки равновесия при условии, что входное сопротивление измерительного прибора Rн>>R, где R = R(I) - сопротивление исследуемого двухполюсника, являющегося одним плечом равноплечего моста. В этом случае Uн = (IеER0)/4, где Iе = 2I - ток питания моста, Е = R(I)/R - относительная чувствительность параметрического преобразования, R0 - линейная часть сопротивления R, R(I) - приращение сопротивления двухполюсника (в нашем случае U(I)= R(I)I), а U(I)= 2Uн при условии низкого относительного уровня нелинейности ВАХ R(I)<В= A(Q)BCCN. При определении значений и BCCN на практике можно воспользоваться, например, известным численным методом [5, стр.140], обеспечивающим нахождение значений параметров функции при решении задачи степенной регрессии. В таблице приведены значения (Q) (в процентах), рассчитанные из соотношения (Q) = [(Q-1)-1-1]-1 для ряда характерных значений и Q. Видно, что погрешность (Q) определения значения уровня нелинейности ВАХ уменьшается при увеличении как скважности Q, так и показателя степени тока. Таким образом, измерив UCCN при Q>10, можно определить значение U(I) уровня нелинейности ВАХ двухполюсника при >2 с компонентой (Q) относительной погрешности определения U(I) не более 12,5%. Если же Q>32, то (Q) не превышает 5%, что оказывается уже вполне приемлемым для использования на практике. При определении значения U(I) при небольших значениях скважности (4<Q<16) относительную погрешность (Q) можно значительно уменьшить, если вместо скважности использовать функцию A(Q). При этом, однако, необходимо иметь информацию о значении параметра , что может потребовать проведения дополнительных измерений. В случае неполярного двухполюсника, имеющего небольшую, но ощутимую асимметрию уровня нелинейности ВАХ в первом и третьем квадрантах (двухполюсник с небольшой асимметрией ВАХ), его выводы помечаются, а значения UCCN, , функции A(Q) и значение коэффициента В определяют для первого и третьего квадрантов ВАХ раздельно с учетом направления протекания тока Iv1. Представим пример определения значений уровней нелинейности ВАХ для конкретного неполярного безынерционного двухполюсника в соответствии с предлагаемым способом:
1. Экземпляр резистора типа ОМЛТ-2-1,6 кОм10% выбракован при входном контроле из-за высокого уровня нелинейности ВАХ. 2. Незначительная зависимость напряжения UCCN от длительности видеоимпульсов тока Iv1 в диапазоне v1 от 0,5 до 1000 мкс дает возможность отнести данный экземпляр резистора при v1 >1 мкс к идеализированной категории "безынерционных" двухполюсников. 3. Допустим, что требуется грубо определить значение уровня нелинейности ВАХ, соответствующее току I= 20 мА, с относительной погрешностью (Q) не более 20%, в предположении, что данный экземпляр резистора является неполярным двухполюсником. 3.1. Допуская, что нелинейная часть ВАХ резистора может быть представлена степенной функцией в соответствии с п.1 формулы изобретения, а значение показателя степени тока не менее двух 2) [4], выбираем по табл. 1, например, значение скважности Q = 10. При этом значение (Q) не превышает 12,5%. 3.2. В соответствии с п.1 формулы изобретения и п.п.1, 2, 3, 3.1 примера измерение напряжения UCCN проводим при Iv1 = I= +20 мА, установив следующие значения параметров импульсного тестового воздействия: v1 = 4 мкс; Q = 10. 3.3. Результаты измерения UCCN при выполнении условий п. 3.2 показали, что UCCN=-1,15 мВ. 3.4. Используя соотношение из п.1 формулы изобретения, определяем окончательно значение уровня U(I) нелинейности ВАХ резистора при токе I=20 мА:
U(I) A(Q)UCCN=QUCCN =10(-1,15 мВ)=-11,5 мВ. 4. Допустим, в отличие от п. 3 примера, что требуется определить значение уровня нелинейности ВАХ резистора, соответствующее току I = 20 мА, с относительной погрешностью (Q) не более 10% при скважности Q=10 также в предположении, что данный экземпляр резистора является неполярным двухполюсником и значение 2. 4.1. В этом случае необходимо определить значение показателя степени тока, поскольку при = 2 в соответствии с данными табл. 1 значение (Q)= 12,5% и превышает заданную величину. 4.2. В соответствии с п.2 формулы изобретения определяем значения границ для области видеоимпульсов тока Iv1, внутри которой предполагается определение значений параметров В и , например, как IB1 = = 2,2 мА; IE1= Iv1= I= 20 мА, для первого квадранта ВАХ, и IB2 -2,2 мА; IE2=-20 мА - для третьего. После чего определяем, например, 8 значений видеоимпульсов тока Iv1, логарифмически равномерно распределенных внутри установленных промежутков, как Iv1 = 20; 10; 5; 2,2; -20; -10; -5; -2,2 мА. 4.3. Результаты измерения UCCN=UCCN(Iv1) при Q=10, v1 = 4 мкс представлены следующим двумерным массивом [Iv1, мА / UCCN, мкВ]:
[20/-1150]; [10/-205]; [5/-38]; [2,2/-5];
[-20/1180]; [-10/227]; [-5/43]; [-2,2/6]; [0/0]. 4.4. Обработка результатов измерений UCCN с использованием соотношений п. 2 формулы изобретения дает следующие значения для , A(Q) и В при относительной среднеквадратичной погрешности аппроксимации входного массива степенной функцией 5,77% и максимальной погрешности при аппроксимации 9,73%:
=2,427; A(Q)=10,45; B=-161,8 B\A.
4.5. При определении значения уровня нелинейности ВАХ резистора для этого случая возможны следующие варианты:
4.5.1. Значение U(I) определяем в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения:
при минимальном значении (Q). 4.5.2. Значение U(I) определяем в соответствии с п. 3 формулы изобретения при = 2,427; A(Q)= A(Q)= 10,45 и, например, при среднем значении UCCN для первого и третьего квадранта ВАХ:
UCCN=(UCCN1-UCCN3)/2=(-1,15- (+1,18))/2=-1,165 мВ:
A(Q)UCCN=10,45(-1,165)=-12,17 мВ
при минимальном значении (Q). 4.5.3. Значение U(I) определяем в соответствии с отличительной частью п. 1 формулы изобретения при =2,427; A(Q)= Q=10; UCCN=(UCCN1-UCCN3)/2=(-1,15 -(+1,18))/2=-1,165 мВ:
U(Q) A(Q)UCCN=10(-1,165)=-11,65 мВ
при (Q) =4,21%. Видно, что предлагаемый способ вполне может быть использован на практике при определении уровня нелинейности ВАХ резистора, хотя предпочтение, по-видимому, следует отдать вариантам способа определения значения уровня нелинейности ВАХ резистора, рассмотренным в разделах 4.5.1 и 4.5.2 настоящего примера. Ясно также, что увеличение значения скважности Q эффективно уменьшает значение (Q). Вместе с тем, судя по результатам измерения зависимости UCCN от тока Iv1, представленным в разделе 4.3 примера, можно допустить наличие ощутимой асимметрии ВАХ резистора в первом и третьем квадрантах. Поэтому рассмотрим также вариант способа определения уровня нелинейности ВАХ с учетом этой особенности данного экземпляра резистора на примере применения п. 3 формулы изобретения. 5. Допустим, что резистор представляет собой безынерционный двухполюсник с небольшой асимметрией ВАХ, выводы которого помечены. Причем для первого квадранта ВАХ резистора имеем следующий массив в представлении [Iv1, мА / UCCN, мкВ]:
[20/-1150]; [10/-205]; [5/-38]; [2,2/-5]; [0/0],
а для третьего -
[-20/1180]; [-10/227]; [-5/43]; [-2,2/6]; [0/0]. 5.1. Обработка результатов, представленных в п.5, дает:
- для первого квадранта ВАХ =2,461; A (Q)=10,42; B= -180,5 В\A при относительной среднеквадратичной погрешности аппроксимации входного массива степенной функцией 0,718% и максимальной погрешностью при аппроксимации -1,29%;
- для третьего квадранта ВАХ =2,394; A (Q)=10,49; B= -145,0 В\A при относительной среднеквадратичной погрешности аппроксимации входного массива степенной функцией 0,373% и максимальной погрешностью при аппроксимации - 0,607%. 5.2. В соответствии с п. 3 формулы получаем окончательно:
- для первого квадранта ВАХ при Iv1=I=+20 мА
(Q)-UCCN=10,42(-1,15)=-11,98 мВ;
- для третьего квадранта ВАХ при Iv1=I=-20 мА
) (Q)UCCN=10,49(+1,18)=+12,38 мВ
при минимальных значениях (Q). Видно, что для данного экземпляра резистора аппроксимация ВАХ степенной функцией точно, просто и наглядно отражает нелинейные эффекты и их полярные различия, а применение предлагаемого способа позволяет осуществить определение значений уровня нелинейности его ВАХ. Важно, что все операции, необходимые для определение значений уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника, могут быть автоматизированы. Причем характерные значения времени цикла простейших автоматизированных операций, необходимых для определения значений уровня нелинейности ВАХ, составляют десятые доли секунды на объект и единицы секунд при вариантах, требующих до десятка операций измерения напряжения UCCN для контролируемого объекта. Структурная схема и технические характеристики измерительного устройства приведены в работе [4]. Область использования предлагаемого способа - неразрушающий контроль качества и электрофизическая диагностика различных видов радиоизделий и компонентов ИМС. Применение предлагаемого способа, характеризующегося высокой чувствительностью и низкой погрешностью, позволяет создавать на его основе высокоэффективные методы и средства определения уровня нелинейности ВАХ и диагностики различных пассивных безынерционных двухполюсников в системах контроля качества по эффектам нелинейности. Источники информации
1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин; Учеб. пособие для студентов вузов, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1989, с. 284, (с. 21). 2. Туригин А.М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. - Л.: Энергия, 1975, с. 124. 3. Данилин Н. С. Неразрушающий контроль качества продукции радиоэлектроники. - М.: Издательство стандартов, 1976, с. 240. 4. Жигальский Г.П., Карев А.В. Методы и средства для неразрушающего контроля качества безынерционных двухполюсников по неравновесному фликкер-шуму и нелинейным эффектам при импульсном тестовом воздействии// Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, 1997, N 3-4, с. 50-56, прототип. 5. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, с. 240.
Формула изобретения
где U1(I) = r1I - линейная часть вольт-амперной характеристики, соответствующая закону Ома;
r1 = const - независящая от тока I часть сопротивления двухполюсника;
значение уровня нелинейности вольт-амперной характеристики, соответствующее заданному значению тока I;
B - параметр нелинейности вольт-амперной характеристики;
- действительное число, имеющее смысл показателя степени тока нелинейной часть вольт-амперной характеристики,
отличающийся тем, что при измерении UCCN значение видеоимпульсов тока Iv1 устанавливают равным заданному значению тока I, выбирают значение скважности Q не менее Qmin > 2 так, чтобы компонента (Q) относительной погрешности определения уровня U(I) нелинейности вольт-амперной характеристики, значение которой оценивают из соотношения
(Q) = [(Q-1)-1-1]-1,
не превышала предельно допустимого значения,
где Qmin - значение скважности, соответствующее предельно допустимому значению (Q);
U(I) определяют из соотношения
где A(Q) - функция скважности и параметров, определяющих нелинейность вольт-амперной характеристики двухполюсника, полагая A(Q) = Q. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения значений параметров B и задают значение скважности Q и значения границ для области видеоимпульсов тока Iv1, внутри которой предполагается определение значений параметров B и , измеряют в пределах заданной области для нескольких значений видеоимпульсов тока Iv1 соответствующие значения напряжения UCCN, включая значения для заданных границ области видеоимпульсов тока Iv1, определяют последовательно значения , BCCN функции и затем значения A(Q) и B с использованием соотношений
A(Q) = Q/[1-(Q-1)1-], > 1,
B = A(Q)BCCN. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае определения значения уровня нелинейности вольт-амперной характеристики по результату отдельного измерения UCCN для двухполюсника с известным характерным значением полагают A(Q) = A(Q) = Q/[1-(Q-1)1-], > 1.
РИСУНКИ
Рисунок 1