книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

где /?к — сопротивление потерь контура в последовательной цепи; (/вх — напряжение, вводимое в резонансный контур; (/пых — на­ пряжение на образцовом конденсаторе в момент резонанса в кон­ туре.

Если поддерживать IIп постоянным, то 11пЫ* будет пропорцио­ нально <2 и, следовательно, шкала выходного вольтметра У2 может быть отградуирована в единицах добротности. Входное на­ пряжение, вводимое в измерительный контур от генератора высо­ кой частоты ГВЧ через емкостной делитель напряжения Сл1, Са2, поддерживается постоянным при помощи электронного вольтметра Ух (вольтметра уровня) и не превышает 0,2 В. В приборе имеется генератор фиксированной частоты для калибровки вольтметра «(?». Куметры могут быть использованы в диапазоне частот 50 кГц— 250 МГц.

Генератор

Высокой

частоты

Уровень

Рис. 11.20. Схемы куметра

Для определения полного сопротивления 2ВХс помощью куметра измерения выполняют дважды без искомого сопротивления и с ис­ комым сопротивлением. Последовательный колебательный контур, составленный из вспомогательной катушки индуктивности 1К, # к (входящий в комплект куметра) и образцового конденсатора пере­ менной емкостью С0, настраивают в резонанс на частоту измерения /0. При этом фиксируются значения частоты /0, емкости 0 )1»доброт­ ности контура фх. Затем исследуемое сопротивление 2Х (Ях, Ох) подключают либо последовательно (если модуль 2Х — значение малое) со вспомогательной катушкой, либо параллельно (если модуль 2,ж— значение большое) к образцовому конденсатору С0. Контур с помощью конденсатора С0вновь настраивается в резонанс на ту же частоту. Зафиксированные значения /0, Со2 и (2$ совместно с данными, полученными при первом измерении С01 и (21г дают воз­ можность определить модуль 2Х и его составляющие Ях, Хх.

Наиболее часто куметр используют для измерения больших со­ противлений 2Х, например входного сопротивления вольтметра, име­ ющего активно-емкостный характер. В этом случае 2Х подключают

Вывод формул выполнен при условии Я2^(а>0Ь)2, /?|ф ^(© 0^эф)2> где со0 = 1/] / 18фС0— частота контура, на которой осуществляется измерение.

Измеряемая катушка Ьх, Ях подключается к зажимам 1—/ ' куметра и контур Ьх, Нх, С0 настраивают в резонанс на частоту /0. По значениям /„ (кГц), С0 (пФ) и <2 определяют значения искомых индуктивности Ьх (мкГн) и сопротивления Ях

Индуктивности катушек в определенных пределах (например, от 0,1 мкГн до 100 мГн) могут быть измерены на нескольких фиксиро­ ванных частотах по шкале, нанесенной на лимб образцового конден­ сатора С0, с учетом множителя шкалы.

При измерении собственной (межвитковой) емкости катушка индуктивности подсоединяется к зажимам 1— Г куметра. Образцо­ вый конденсатор устанавливается на значения С01 (пФ) порядка 40—50 пФ. Затем производится настройка контура в резонанс гене­ ратором высокой частоты. После этого генератор устанавливается на частоту, равную половине резонансной частоты. Контур вновь настраивается в резонанс образцовым конденсатором, установлен­ ным уже на значение ^о2 (пФ). Собственная емкость С*, катушки определяется по формуле

При измерении добротности катушка индуктивности подсоеди­ няется к зажимам 1—Г куметра. Устанавливается значение ча­ стоты, на которой должна быть измерена добротность катушки. Контур настраивается в резонанс по максимуму отклонения вольт­ метра «<2» и отсчитываются показания (3 при фиксированном значе­ нии напряжения вольтметра Уровень.

Глава 12

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

§ 12.1. Общие сведения

Создание сложных радиоэлектронных устройств различного на­ значения, работающих с высокой надежностью и имеющих компакт­ ные габариты, связано с применением интегральных схем (ИС) — микроминиатюрного изделия, выполняющего определенную функ­ цию преобразования и обработки сигнала и имеющего высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или эле­ ментов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рас­ сматриваются как единое целое.

Свойства компонентов — диодов, транзисторов, резисторов, кон­ денсаторов, входящих в состав ИС, влияют на ее свойства.

В ряде случаев недостаточные знания их параметров, эксплуа­ тационных особенностей, схемных включений не позволяют обе­ спечить оптимальные режимы работ радиоэлектронных устройств в целом. Значительный разброс параметров и характеристик полу­ проводниковых приборов, интегральных схем одного и того же типа, чувствительность к перегрузкам, температурным воздействиям вы­ зывают необходимость перед установкой в радиоэлектронную цепь подвергать их испытаниям. В настоящей главе излагаются про­ стейшие методы измерения параметров и характеристик полупро­ водниковых приборов и ИС.

Полупроводниковые приборы классифицируются по их функцио­ нальному назначению, по значениям предельной мощности и ча­ стоты.

П о т е х н о л о г и и и з г о т о в л е н и я различают ИС полупроводниковые и пленочные. Их сочетания позволяют реали­ зовывать ИС полупроводниковые (монолитные), пленочные и гиб­ ридные.

Полупроводниковые ИС — схемы с повышенным количеством активных элементов и эффективно защищенные от влияния внешней среды; пленочные ИС — схемы с пассивными элементами. В гиб­ ридных ИС пассивные элементы и соединения — пленочные, а ак­ тивные элементы — бескорпусные транзисторы и диоды, выполнен­ ные на отдельных полупроводниковых кристаллах.

Существуют еще и совмещенные ИС, в которых наряду с полу­ проводниковыми элементами используют и пленочные.

Степень интеграции ИС — показатель степени сложности схемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компо­ нентов.

П о с т е п е н и и н т е г р а ц и и различают ИС маломас­ штабные (МИС) (степень интеграции не превышает 20—40 элемен­ тов); среднемасштабные (СИС) (степень интеграции не превышает 50—150 элементов); большие (БИС) (степень интеграции 150— 200 элементов); сверхбольшие (степень интеграции свыше 1000 эле­

ментов).

Развитие технологии униполярных транзисторов со структурой металл — диэлектрик (окисел)* — полупроводник (МДПили МОП-транзисторы) позволяет качественно повысить степень интег­ рации ИС. Сравнительная простота технологии изготовления, малая мощность потребления, низкая стоимость, а также ряд ценных схемотехнических средств, дает возможность строить на их основе устройства, начиная от микропроцессоров до космических приборов.

П о к о н с т р у к ц и и и р а с п о л о ж е н и ю в ы в о д о в ИС делятся на планарные (плоские) и штырьковые.

П о ф у н к ц и о н а л ь н о м у н а з н а ч е н и ю ИСделятся на цифровые и аналоговые.

Цифровые ИС (ЦИС) — микросхемы, предназначенные для пре­ образования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Активные элементы этих схем работают в клю­ чевом режиме. ЦИС используются в ЭВМ, устройствах дискретной обработки информации, системах автоматики. Одним из видов ЦИС является логическая ИС или логический элемент (ЛЭ). Назначе­ ние ЛЭ — выполнение логических операций над переменными, ко­ торым ставят в соответствие электрические сигналы, способные принимать лишь два уровня напряжения — «0» и «1» (для опреде­ ленности можно считать, что «0» соответствует низкий уровень на­ пряжения, а «1» — высокий).

Несколько простейших логических функций можно реализовать соответственно с помощью нескольких основных ЛЭ:

1.Логическое отрицание (инверсия, операция НЕ) заключается

вполучении переменной, противоположной данной.

2.Логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ), заклю­ чающееся в том, что, функция принимает значение, равное «1», если

хотя бы один из аргументов равен «1».

3. Логическое умножение (конъюнкция, операция И), заклю­ чающееся в том, что функция принимает значение, равное «1», если все аргументы одновременно равны «1».

Кроме функциональных элементов одноступенчатой логики существуют элементы двухступенчатой логики. На рис. 12.1 при­ ведены условные графические обозначения элементов И, ИЛИ, НЕ и электрические эквивалентные схемы элементов И, ИЛИ с двумя входами, а также таблицы истинности (положительная логика). В таблице истинности «1» отображают состояние «замыкание ключа» или указывает на зажженную лампочку, а «0» — на «размыкание ключа» или на незажженную лампочку.

Аналоговая ИС — микросхема, предназначенная для преобразо­ вания и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерыв­ ной функции. Частным случаем аналоговой ИС является микросхема

с линейной характеристикой — линейная ИС (ЛИС). ЛИС исполь­ зуются в усилителях сигналов низкой и высокой частоты, генера­ торах, смесителях, детекторах, т. е. устройствах, где активные элементы работают в линейном режиме, осуществляя нелинейное преобразование входных сигналов.

Серия интегральных микросхем — совокупность типов микро­ схем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

§ 12.2. Измерение характеристики диодов

Свойства диодов на низких частотах достаточно полно опреде­ ляют их вольтамперные характеристики или характеристики сопро­ тивлений, снятые на постоянном токе; характеристики представ­ ляют собой соответственно зависимость тока и сопротивления диода от приложенного к нему напряжения.

Рис. 12.2. Схемы измерения прямой и обратной ветвей вольтамперной характе­ ристики диода

метров может быть достигнута при соблюдении определенных усло­ вий измерения. При оценке параметров прямой ветви вольтампер­ ной характеристики целесообразно задавать постоянный ток / пр и измерять прямое падение напряжения С/пр. Это требование озна­ чает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть существенно больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде не вызывало изменений тока, выходящих за

пределы заданной погрешности измерений, т. е. источник должен быть источником тока по отношению к диоду. Это условие должно выполняться при измерении напряжения на всех участках харак­ теристики, где дифференциальное сопротивление мало. При изме­ рении параметров диода в области пробоя следует задаваться зна­ чением обратного тока / обр и определять обратное напряжение (У0вр.

При измерении параметров обратной характеристики диода, за исключением области пробоя, необходимо, чтобы источник питания, которым задается режим измерения, имел малое внутреннее со­ противление, так как в противном случае незначительные измене­ ния обратного тока будут вызывать большую погрешность при из­ мерении обратного напряжения.

На рис. 12.2, б, в представлены схемы измерения прямой и об­ ратной ветвей вольтамперной характеристики маломощного диода.

Стабилизированный источ­ ник постоянного тока обеспе­

вольтметром постоянного тока, а контроль дискретных значений то­ ка — магнитоэлектрическим или цифровым амперметром. Падение напряжения на контактной системе и в проводах, с помощью ко­ торых испытуемый диод подключается к измерительной цепи, не должно превышать 1—2 % от максимально возможного значения прямого падения напряжения на диоде.

Стабилизированный источник напряжения подает на испытуе­ мый диод Д (рис. 12.2, в) заданные значения обратного напряжения. Значение обратного напряжения контролируется цифровым или магнитоэлектрическим вольтметром, значение обратного тока диода измеряется цифровым нано-микроамперметром постоянного тока. Измерение обратного тока может быть выполнено косвенным путем

стотные характеристики / выпр (/). От измерительного генератора на испытуемый диод Д подводят переменное напряжение неизменной амплитуды различной частоты. Напряжение (/0 на резисторе Я0, пропорциональное средневыпрямленному значению тока, изме­ ряется при различных значениях частоты. Семейство частотных характеристик получается изменением значения сопротивления резистора Я0. Горизонтальный участок характеристик определяет

область рабочих частот и сокращается с уменьшением значения # 0. Измерение напряжения выполняется высокоомным цифровым вольт­ метром постоянного тока. Значение емкости конденсатора С0 выби­ рается таким, чтобы емкостное сопротивление при минимальной частоте испытательного напряжения было значительно меньше сопротивления резистора # 0.

§ 12.3. Измерение параметров транзисторов

Основные эксплуатационные параметры транзистора следующие. Параметры малого сигнала — параметры, измеряемые в линей­ ных режимах. Параметрами малого сигнала являются дифферен­ циальные параметры, характеризующие работу транзистора в уси­ лительных цепях, — параметры эквивалентной схемы транзистора (четырехполюсника) на низких и высоких частотах, граничные ча­

стоты, шумы.

Параметры большого сигнала характеризуют работу транзистора в нелинейных режимах, при которых токи и напряжения между электродами меняются в широких пределах. К нелинейным режимам относятся режимы отсечки, насыщения, активной и инверсной обла­ сти, импульсные параметры, временные интервалы переключения. Параметры, измеренные для этих режимов, и временные интервалы переключения необходимы для расчета ключевых схем, автогенера­ торов, усилителей и др.

Параметры предельных режимов работы — максимально допу­ стимые мощности, токи, напряжения, минимально допустимые токи и напряжения.

Тепловые параметры — параметры, характеризующие возмож­ ность работы транзистора в различном диапазоне температур, — тепловые сопротивления, предельно допустимые температуры тран­ зистора и т. д. При проектировании и расчете схем с транзисторами, а также при их изготовлении широко используют вольтамперные характеристики (входные и выходные), которые дают представление

окачестве и свойствах транзистора при различных значениях тока

инапряжения и позволяют определить его параметры. Вольтам­ перные характеристики можно измерить различными способами, например, на постоянном токе цифровыми вольтметрами и ампер­ метрами; на низкой частоте характериографом, позволяющим ви­ зуально наблюдать семейство характеристик в широком диапазоне изменения тока и напряжения.

ном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе. Схема изме­ рения тока / ко дана для транзистора типа п-р-п (рис. 12.4, а). При измерений / ко для транзистора типа р-п-р полярность источника и мйкроамперметра изменяют йа обратную.

В зависимости от типа трайзистора ток / ко у маломощных тран­ зисторов при температуре 20 °С не должен превышать 10—20 мкА. Значение / ко задают для определенного значения напряжения на

коллекторе. Формула пересчета для другого напряжения (несколько отличного от паспортного значения в пределах линейности) сле­

дующая:

где / ко, и Кб — паспортные значения; До, (Дб — данные при испыта­ нии.

Рис. 12.4. Схемы измерения / ко(а), / эо (б), / к„ (в), С/ка(г)

Обратный ток эмиттерного перехода / э0 — начальный темпе­ ратурный ток обратно смещенного эмиттерного перехода. Этот ток измеряется при разомкнутой цепи коллектора и определенном за­ данном напряжении на эмиттере (рис. 12.4, б). Для транзисторов типа р-п-р полярность источника и прибора изменяют на обратную. Ток / Э0) как и ток / ко, увеличивается примерно вдвое при повыше­ нии температуры окружающей среды на 10 °С.

Начальный ток коллекторного перехода / кн измеряется в схеме с общим эмиттером при нулевом напряжении между базой и эмит­ тером ((/бэ = 0), т. е. при базе, соединенной с эмиттером (рис. 12.4, в). Для некоторых типов маломощных транзисторов ток / К|1 имеет зна­ чение 10—30 мкА, для транзи­ сторов средней и большой мощности — 3—10 мА.

Напряжение насыщения

является характерной точкой на вольтамперных характери­ стиках транзистора и пред­ ставляет собой условную гра­

ницу между областью насыщения и активной областью. Это на­ пряжение (11ш) измеряют при 1/кб = 0 (или С!9б — 11К9) при мак­ симальном паспортном токе коллектора / к.макс (рис. 12.4, г). Усло­ вие 11к(>= 0 означает, что напряжение 11'кн является нулевой точкой характеристики / к = [ (1/к6), а условие IIбЭ= 6А» означает, что напряжение 11КИнаходится уже на горизонтальной части характери­ стики /к = / (0 К9). Миллиамперметр, включенный в цепь коллек­ тора, показывает ток /к + Д, но поскольку / б ^ / к, то его показа­ ния можно считать равными максимальному току коллектора. Обычно измеряют не граничное значение напряжения (/«„, а зна­ чение д ка, определяемое при заданных значениях Iб и / к. 11кн < (Дн, так как оно соответствует режиму работы в области насыщения.