Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем

где - коэффициент, рассчитываемый по формуле (7).

- матрицу рассчитывают по формуле (8). Существенный недостаток рассмотренных выше устройств заключается в том, что при измерениях транзисторов средней и большой мощности возникают сложности их электропитания по постоянному току из-за разогрева этих резисторов, особенно коллекторного резистора .

Эти недостатки можно исключить путём шунтирования резисторов и катушками индуктивности, как это показано на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема третьего измерительного устройства

Третье измерительное устройство разработано на базе второго. В этом случае резисторы и шунтированы катушками индуктивности и соответственно. Так как напряжение и напряжение на выходе ИТ равны, то делитель , представилось возможным подключить к выходу ИТ. Тем самым исключено шунтирующее влияние делителя , на коллекторную цепь. Назначение остальных элементов такое же, как и на схемах рис.1, 2.

Статический режим устанавливается таким же образом, как в схемах рис.1, рис.2 Динамические тесты по определению матриц , и вектора производятся аналогично тестам устройства рис.2. Для расчёта - матриц используются формулы (7) – (10). Индуктивности и рассчитывают по формулам:

, . (8)

Устройства рис.1-3 позволяют путём реализации активного факторного эксперимента получить информацию для описания ВАХ транзистора в пространстве системы

, . (9)

Анализ схемы рис.3 показывает, что путём её преобразования и при упрощении структуры можно реализовать режим измерения ВАХ в пространстве системы

, . (10)

В результате получаем четвёртую измерительную схему рис.4. Назначение элементов схемы рис.4, кроме источников ИН1, ИН2 и резистора , такое же, как и на схеме рис.2. В процессе работы схемы напряжение на выходе источника ИН2 определяет напряжение , источника ИН1, и резисторы , вырабатывают ток базы . Чтобы схема генерирования тока соответствовала условию источника тока, выбор резистора должен отвечать условию

, (11)

где - сопротивление базы по постоянному току.

При выполнении условия (11) ток базы будет прямо пропорционален напряжению на выходе ИН1. Таким образом, рабочую точку (ток и напряжение ) транзистора будут определять напряжения на выходах ИН1 и ИН2.

Динамические тесты по определению матриц , и вектора и расчёт - матрицы производятся аналогично тестам и расчётам в случае схемы рис.3.

В схемах рис.1-4 выделена часть, обозначенная ИГ. Она представляет собой измерительную головку, которую предлагается конструировать в виде сменного модуля. Принципиальные схемы ИГ в рассмотренных случаях практически одинаковы. Различия будут связаны с конструктивными (типоразмер корпуса, конструкция выводов) и электрическими (мощность, входные и выходные сопротивления) параметрами измеряемых транзисторов, которые будут определять конструкции и номинальные значения элементов ИГ.

Рис.4. Структурная схема четвёртого измерительного устройства

Определив часть схемы, кроме ИГ, как базовую получаем возможность широкого манёвра измерительным процессом, используя для измерения транзисторов "магазин" ИГ.

Таким образом, в результате анализа структурных схем рис.1-4 показано, что, во-первых, есть возможность измерения статических и динамических параметров транзистора на одной технологической установке, во-вторых, имеется возможность использования различных вариантов измерительных устройств, в-третьих, целесообразность выделения части измерительной схемы в виде ИГ.

Отличительное свойство рассмотренных устройств состоит в том, что они могут быть эффективно использованы в автоматизированных информационно-измерительных системах для измерения параметров моделей, ориентированных на применение в информационных базах данных САПР и диагностику качества радиокомпонентов.

Важным достоинством этих устройств является отсутствие принципиальных ограничений на диапазон частот. Не представляет сложности осуществить измерения на частотах до сотен МГц.

Литература

1.А.с.1084709 СССР, МКИ. G 01 R 3/26. Устройство для измерения параметров рассеяния /И.А. Мирошник и др. (СССР) № 1084709 Заявлено 03.09.82. Опубл. 08.12.83. Бюл. № 13. 1с.

2.А.с.1317370 СССР, МКИ G 01 R 27/32. Способ определения линейных параметров многополюсника /И.А. Мирошник и др. (СССР) № 1317370 Заявлено 06.01.83. Опубл. 15.03.85 Бюл. N 22, 1с.

3.Мирошник И.А. Машинно-ориентированные способы определения параметров линейных многополюсников на высоких частотах; Воронеж. политехн. ин-т. Воронеж, 1988. 31с. Деп в ВИНИТИ 25.01.89, № 609-1389.

Получено 05.09.2001 Воронежский государственный

технический университет

УДК 621.317.681.3

И.А. Мирошник, А.В. Почечихин, В.В. Чеканов

КАЛИБРОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПАРАМЕТРОВ

ДВУХПОЛЮСНЫХ И МНОГОПОЛЮСНЫХ РАДИОКОМПОНЕНТОВ

Рассмотрен вопрос измерения параметров двухполюсников, опираясь на методику измерения многополюсников

Двухполюсник (ДП) можно рассматривать как элементарный многополюсник (МП), который относительно общей шины имеет всего один полюс-вход. В этой связи для определения параметров ДП пригодны как методика измерения, так и расчетные формулы, приведенные для расчета параметров МП [1,2].

В этом случае матричное уравнение для системы Y параметров МП превращается в алгебраическое уравнение, а полную проводимость ДП представляется возможным определить по результатам измерения трёх напряжений: Ú_о - холостого хода, Ú_к - калибровки и U - нагруженного режима, выполненных согласно схемам рис.1 [3,4].

Формулу для вычисления полной проводимости Y измеряемого ДП, приведённую в [3,4], можно получить из матричного уравнения, приведённого в [1,2]. В этом случае расчёт проводимости ДП производится по формуле

Y = Y_k/W (1)

или Z полного сопротивления по формуле

Z = 1/Y, (2)

где W= (Ú_o/ Ú_k-1)/ (Ú_o/ U-1); (3)

Z_k -проводимость образцовой меры.

Образцовые меры представляют собой ДП, которые в процессе измерения подключают к измерительной схеме при определении напряжения U_k (рис.1б).

Согласно рис.1 для калибровки схемы измерения ДП используют образцовую меру с сопротивлением Z_k = R_k + jX_k.

На первом этапе калибровки выполним операции по измерению полюсных напряжений Ú_o и Ú_k рис.1. Затем определим напряжение Ú_c, которое будет вырабатываться на выходных зажимах при подключении к ним тестового конденсатора С. Добротность конденсатора должна быть достаточно высокой, чтобы влиянием активных потерь, вносимых им в измерительную цепь конденсатором, можно было пренебречь. Полное сопротивление Z_c конденсатора С_с можно рассчитать по формуле (4). В этом случае коэффициент W_с = W'_c + jW''_c рассчитываем по формуле (3).

Так как добротность конденсатора С высокая, справедливо

Z_c=-jX_c=1/iC_. (4)

Тогда расчёт по формуле (2) с учётом (3) и (4) даёт

-jX_c=W'cRk-W''_cX_k+j(W'_cX_k+W''_cR_k). (5)

Так как действительная составляющая левой части уравнения (5) равна нулю, то искомую реактивную составляющую X_к образцовой меры можно определить по формуле

X_k= W'_cR_k / W''_c . (6)

Рис.1. Двухполюсник в измерительной схеме: а - режим холостого хода; б – режим

калибровки; в – режим аттестации X_к; полные сопротивления: Zr – полное

сопротивление генератора; С- тестовый конденсатор

Если значение X_к положительно, то образцовая мера Z_k имеет индуктивный характер, и её эквивалентная схема соответствует рис.2а, а эквивалентную индуктивность меры L_k, вычисляют по формуле

L_k = X _k /. (7)

При емкостном характере Z_k параметр X_k отрицателен, а эквивалентную схему представляют в виде рис.2., а ёмкость C_k можно рассчитать по формуле

C_k= - X _k /(X_k). (8)

Рис. 2. Эквивалентные схемы образцовой меры:

а– индуктивного характера; б - емкостного характера

Выражение параметров образцовой меры в виде эквивалентных схем (рис. 2) удобно использовать в том случае, когда в рабочем диапазоне частот параметры R_k, C_kи L_k постоянные, т.е. не зависимы от частоты. В противном случае необходимо экспериментальное определение сопротивлений R_k и X_k на каждой из рабочих частот или определение аналитических функции R_k(ω) и X_k(ω) в заданном диапазоне частот.

В реальных условиях между контактами подключения измерительного прибора и измеряемого ДП существует соединительный проводник с индуктивностью L_исх,. Рассмотрим эквивалентную схему рис.3, на которой индексом 1 отмечен контакт для подключения измеряемого ДП, а индексом 1'- контакт для подключения измерительного прибора.

В самом общем случае, если

L_сх|Z|, (9)

то влиянием L_сх можно пренебречь, и измерения можно производить согласно базовой методике. В противном случае влияние индуктивности L_сх, учтено.

Выполнив измерения согласно схемам рис.3, вычисляем параметры

W_c=(Ú_o/ Ú_k-1)/ (Ú_o/Ú_c-1)= W ‘_c+j W ‘’_c; (10)

W₁=(Ú_o/ Ú_k-1)/ (Ú_o/Ú₁-1)= W ‘₁+j W ‘’_1. (11)

Пусть Z*_c и Z₁ полное сопротивление участков измерительных цепей рис.3.в и 3.д, определённые согласно теории электрических цепей по формулам

Z*_c=j(X_cx+X_c); (12)

Z₁=jX_cx+((-jX_c) (R_k+jX_k))/( R_k+j(X_k-X_c)), (13)

где X_cx=L_cx; X_c=1/(С).

Рис.3. Аттестация устройства для измерения ДП: а- опыт холостого хода;

б- режим калибровки; в- определение реактивной составляющей Z_k;

д- измерение напряжения Ú₁^’, Z_r –полное сопротивление источника сигнала

с ЭДС ; L_сх –индуктивность измерительной схемы, Z_к –сопротивление

образцовой меры

С другой стороны, значения Z*_c и Z₁, вычисленные по данным измерениям с учётом вычислений по формуле (12), с учётом (10) - (11)

Z*₁= Z*_kW₁; Z*_c= Z*_kW_c, (14)

где Z*_k=R_k+j(X_k+X_cx). (15)

Решая уравнения (10) - (14) относительно параметров X_k, получаем

X_k= [D(B-R_k)+(A-C) R_k]/2B, (16)

где А=X_k+ X_cx=R_kW'₁/ R_kW'’_c; В= R_kW'₁-А W"₁;

C= AW'₁+R_kW"₁; D= A(1-W'_c)-R_kW"_c.

Из формулы (19) определяем искомую индуктивность L_cx контакта

L_cx=(А-X_k)/. (17)

Измерение Z- сопротивления ДП производим по схеме (рис.4)

Рис.4. ДП в реальной измерительной схеме

Вычисляя параметры сопротивления Z по принятой методике с учётом влияния индуктивности L_cx , получим

Z=R+jX=(R_k+jA)W-jX_сx. (21)

Исследования в СВЧ диапазоне показали, что в этом случае необходимо также учитывать активную составляющую сопротивления контактов [5].

Рассмотрим калибровку многополюсных измерительных цепей (рис.5), активная часть которых (полюс i) полностью аналогична цепям измерения ДП.

Рис.5. Измерение МП в нагруженном режиме

Поэтому операции по измерению МП аналогичны операциям по определению параметров ДП. В самом деле измерительную схему МП со стороны полюса i можно рассматривать как схему по измерению ДП с полным сопротивлением Z_oii в режиме холостого хода или сопротивлением Z_oii// Z_ii в нагруженном режиме. Поэтому операции по определению динамических параметров X_oi образцовых мер МП и индуктивностей контактов L_i полностью отвечают операциям по определению аналогичных параметров ДП, показанных на рис.3. Аттестацию многополюсных измерительных цепей производим согласно схеме рис.6.

Параметры W_ci и W_1i – рассчитывают по формулам, аналогичным формулам (13) и (12):

W_ci=(Ú_oii/ (Ú_oi-1))/(Ú_oii/ (Ú_ci-1))= W’_ci+ jW’’_ci;’ (23)

W_1i=(Ú_oii/ (Ú_oi-1))/(Ú_oii/ (Ú_ci-1))= W’_1i+ jW’’_1i. (24)

Индуктивность L_i контакта вычисляется по формулам

L_i=A-X_oi/. (25)

Для случая МП условие (11) можно выразить в виде

L_iZ_ii, (26)

где Z_ii - входное сопротивление МП со стороны полюса i.

а)

б)

в)

г)

Рис.6. Калибровка многополюсников измерительной цепи: А= R_oiW’_ci/W’’_ci; В=

R_oiW’_1i-AW’’_1i; С=AW’_1i-R_oiW’’_1i; D=A(1-W’_ci)-R_oiW’’_c;

Если для МП условие не выполняется, то необходима корректировка результатов измерения, которая сводится к устранению полюса i [6].

Литература

1. Мирошник И.А. Машинно-ориентированные способы определения параметров линейных многополюсников на высоких частотах / Воронеж. политехн. ин-т. Воронеж, 1988. 31с. Деп в ВИНИТИ 25.01.89, № 609-1389

2. А.с. 1317370 , МКИ G 01 R 27/32. Способ определения линейных параметров многополюсника /И.А. Мирошник и др. (СССР) № 3578025. Заявлено 06.01.83. Опубл 15.06.87. Бюл. № 22. 1с..

3. А.с. 1580282 , МКИ G 01 R 27/00. Устройства для измерения комплексных параметров двухполюсников /И.А. Мирошник и др. (СССР). № 4149042, Заявлено 19.10.1986. Опубл 23.07.90. Бюл. № 27. 28с.