Для решения различных научных и практических задач в области радиоэлектроники и полупроводниковой техники постоянно возникает необходимость измерений и качественной оценки состояния различных электронных компонентов как пассивных: измерение резистивности (сопротивления), емкости конденсаторов и индуктивности различных катушек или обмоток, так и полупроводниковых структур. Подобные измерения необходимы не только для оценки качества (некоторые элементы, например бумажные или электролитические конденсаторы, значительно изменяют свои характеристики с течением времени), но и в ряде работ, где требуется точная подгонка и настройка компонентов (например, для установки частоты резонанса контуров и фильтров), при определении характеристик (например, температурных зависимостей), отбраковке «годен-негоден» при допусковом контроле на производстве или в научно-исследовательской деятельности.
Немного теории
Не будем углубляться в ТОЭ (теоретические основы электротехники), но всё же напомним, что сопротивление таких элементов, как индуктивности и конденсаторы в цепи переменного тока, сильно зависит от частоты протекающего тока и характеризуется комплексным сопротивлением или, по-другому, импедансом. Для измерения комплексных параметров цепей или импеданса на различных частотах используются, так называемые, измерители импеданса. В большинстве случаев современные приборы позволяют также измерять и комплексную проводимость — амитанс, и тогда прибор называется измерителем иммитанса (анализатором компонентов или измерителем RLC).
Комплексное сопротивление (обычно обозначается буквой Z) выражается суммой активной R и реактивной Х-составляющих — частотнозависимых индуктивной XL и емкостной XC, т. е. Z= R+j(XL — XC), а полное сопротивление участка цепи есть модуль комплексного сопротивления Z=ÖR2+(xL—xC)2.
Каждый конденсатор имеет свое внутреннее конечное сопротивление диэлектрика между пластинами, которое приводит к возникновению внутренних утечек. Это сопротивление зависит от частоты и чем оно меньше, тем лучше емкость. Аналогичные потери присущи и индуктивностям: активное сопротивление провода, магнитное поле рассеивания, вихревые токи и другие параметры снижают качество компонента. Для оценки внутренних потерь в емкостях и индуктивностях ввели понятия добротности D и тангенса угла диэлектрических потерь Q, при этом величины связаны зависимостью D=1/Q. Обычно, потери в емкости оценивают по тангенсу угла диэлектрических потерь, а потери в индуктивности — по добротности D.
Для корректного проведения измерений необходимо выбрать и правильную эквивалентную схему — последовательную (обозначена подстрочным индексом «s») или параллельную (индекс «р»). Выбор эквивалентной схемы зависит от частоты сигнала и учитывает, какое реактивное сопротивление имеет большее влияние на этой частоте. Как правило, при больших значениях индуктивности и емкости выбирают параллельную схему, а при малых — последовательную.
Метод измерения и расчета результатов измерения, используемый в приборах, позволяет определять сразу пару параметров, например емкость и тангенс угла диэлектрических потерь Q или емкость и добротность D (рис. 2).
Для определения характеристик радиоэлектронных приборов и материалов используются специализированные приборы — источники-измерители, выполняющие функции источника напряжения с измерением тока и источника тока с измерением напряжения, что позволяет построить вольт-амперную характеристику исследуемого прибора.
Однако, при исследовании полупроводниковых структур и специфики проводимости полупроводников этого бывает недостаточно и требуются дополнительные исследования, в частности, построение вольт-фарадных характеристик. Для таких измерений используются более сложные приборы — параметрические анализаторы или характериографы, позволяющие исследовать изменение характеристик тестируемых элементов в зависимости от изменений частоты и амплитуды тестового сигнала и отображающие результат измерения на экране в виде кривой (или семейства кривых).
Как правило, это дорогие специализированные приборы используемые для точного измерения одной-двух задач (например CV-метрии — построении ВФХ), но в большинстве случаев для проведения измерений можно использовать более универсальные и доступные приборы- анализаторы компонентов (измерители иммитанса), которые способны проводить значительно более широкие измерения, включая измерения емкости и индуктивности компонентов на разных частотах и при разных напряжениях и токах смещения.
В ряду контрольно-измерительных приборов торговой марки «АКТАКОМ» есть разнообразные анализаторы компонентов, как переносные, в ручном исполнении, так и настольные приборы. Конечно, настольные приборы обладают значительно более широкими возможностями, в первую очередь, в разнообразии возможных установок тестового сигнала: можно изменить амплитуду, частоту, значение постоянного смещения по напряжению или по току и некоторые другие параметры. В стационарных моделях доступен режим свипирования с постоянным или произвольно устанавливаемым шагом, который позволяет проводить автоматические измерения не только в заданном диапазоне, но и детализировать измерения в отдельных областях диапазона, а с учетом встроенного функции компаратора прибор может использоваться в составе автоматизированных линий.
Изменение амплитуды тестового сигнала (например, с шагом 0,1 мВ в диапазоне 5...999 мВ или 10 мВ в диапазоне 1...10 В для АММ-3068 АКТАКОМ) позволяют построить практически непрерывную сетку уровней в широком диапазоне амплитуд. Такой режим необходим для измерения значений компонентов, реактивные значения которых зависят от уровня сигнала.
Частота тестового сигнала в большинстве измерений компонентов играет определяющую роль, т. к. именно точный подбор частоты тестового сигнала позволит определить уровень потерь, вносимых компонентом на рабочей частоте при дальнейшем использовании.
Применение постоянного напряжения смещения существенно при тестировании различного вида емкостей конденсаторов или исследований в полупроводниковой области, например, при тестировании полярных электролитических конденсаторов, варикапов или трансформаторов, параметры которых зависят от степени намагничивания постоянным током и насыщения сердечника.
Режим автоматического многоточечного изменения параметров тестового сигнала или режим свипирования позволяет провести измерение по заранее созданной последовательности значений (списку, LIST SWEEP) или в заданном диапазоне (TRACE SWEEP). Шаг устанавливаемых значений может быть как произвольным, так и автоматически установленным в указанных границах, распределение значений может линейным или логарифмическим. Подобные тесты позволяют комплексно оценить зависимость исследуемого параметра от изменения тестового сигнала во все рабочем диапазоне.
Измерители иммитанса АКТАКОМ серии АММ-30×8 — представители «умных» измерителей импеданса, работающих с использование АС-метода по схеме моста с автобалансировкой и измеряющих импеданс в широком диапазоне частот 20 Гц...1 МГц. В серии выделяются две группы приборов, отличающихся только частотой и амплитудой тестового сигнала.
Все приборы в серии имеют встроенный генератор напряжения смещения (0...±5 В или 0...±10 В у АММ-3088), а также генератор тока смещения в диапазоне от 0 до ±100 мА, что, например, может быть востребовано при тестировании транзисторных структур.
В режиме работы по списку LIST SWEEP возможно динамическое изменение параметров тестового сигнала — уровня и частоты тестового сигнала, а также величины смещения постоянного тока. В старших приборах серии — АММ-3068 и АММ-3088 есть также режим TRACE SWEEP, но о нем чуть позже.
Какие возможности открываются при использовании режима LIST SWEEP?
Как видно из рисунка (рис. 6), прибор позволяет создать список, включающий до 200 значений изменения характеристики тестового сигнала — частоты, уровня или смещения. При установке уровня сигнала или смещения можно выбрать как установку значения напряжения, так и тока. Но, что более важно, при установке постоянного смещения можно использовать отрицательные значения от −5 до +5 В (или от −10 до +10 В для прибора АММ-3088), что позволяет оценивать полупроводниковые структуры и компоненты путем снятия вольт-фарадных характеристик, т. е. изменение емкости полупроводниковой структуры в зависимости от приложенного напряжения.
Ввод значений может осуществляться как пошагово, когда в каждой строке прописывается необходимое значение параметра, так и с автоматическим заполнением, указав начальное и конечное значения и используя кнопки FILL LINEAR и FILL LOG, можно заполнить все промежуточные значения по линейному или логарифмическому законам. Это особенно удобно в тестах, содержащих большое количество шагов и требующих равномерного или логарифмического распределения значений в указанном диапазоне. Дополнительно можно установить и параметры сканирования — пошаговый или последовательный режим сканирования и задержку перед переходом к следующему шагу. В случае, если выбран пошаговый режим свипирования STEP и установлен ручной запуск, переход к следующему шагу будет осуществляться только после нажатия клавиши запуска TRIGGER, а в случае установки последовательного режима SEQ, тест будет продолжаться постоянно. Так же, можно установить задержку после выполнения каждого шага, это поможет исключить влияние переходных процессов, улучшить наглядность результатов теста и т. д.
В комплекте поставки приборов имеется специализированная оснастка для подключения различных объектов, как отдельных компонентов, так и установленных на печатных платах (рис. 7).
Протестируем полупроводниковый диод в режиме LIST SWEEP прибором АММ-3038. Для этого выбираем пару измеряемых параметров — емкость в режиме параллельного подключения Ср и проводимость G и устанавливаем параметры тестового сигнала — свипирование по напряжению смещения от −2 до +2 В с частотой 100 кГц. После нажатия FILL LINEAR прибор автоматически пошагово установил значения напряжения смещения от 1 до 10 шага (рис. 8) и после включения смещения клавишей DC BIAS измерил и заполнил таблицу значений. Отметим, что при необходимости построения более подробного графика можно задать до 200 шагов нажимая клавишу NEXT PAGE и переходя на следующие страницы.
Аналогично, для проведения других измерений можно использовать и свипирование по другим параметрам, например, исследуя зависимость емкости конденсатора от частоты, можно изменять частоту тестового сигнала (рис. 9).
В старших приборах серии — АММ-3068 и АММ-3088 — дополнительно к описанному выше режиму LIST SWEEP доступен режим TRACE SWEEP (рис. 10). Приборы оснащены функцией анализа АЧХ и в режиме TRACE SWEEP прибор производит автоматические измерения с заданными параметрами, и строит график с числом точек кривой 101, 201, 401 и 801 с выбором линейной или логарифмической шкалы. Для свипирования доступны такие же функции как и в режиме LIST SWEEP — частота и уровень тестового сигнала, а также величина постоянного смещения.
Посмотрим, как работает режим TRACE SWEEP на таком же примере, как и для режима LIST SWEEP прибора АММ-3038. Для этого возьмем аналогичный диод и установим такие же параметры — строим зависимость емкости перехода в параллельном режиме включения Ср и проводимость G, и изменяем напряжение смещения при частоте сигнала 100 кГц. В отличие от предыдущего теста, для лучшей визуализации графика, незначительно изменили диапазон смещения, установили от −1 до +3 В. Количество снимаемых точек установлено по умолчанию — 201. При увеличении числа измерений увеличивается время теста. Результат — график зависимости Cp и G представлен на рис. 11.
Режим TRACE SWEEP, как и другие измерительные режимы прибора, имеет много дополнительных функций, повышающих точность и удобство измерений: изменяемая скорость свипирования, возможность установки задержки между точками измерения для исключения влияния переходных процессов, курсор, при движении которого по графику отображаются значения всех переменных в этой точке и другие функции.
Результаты измерений можно сохранить. В младших приборах серии сохраняется файл состояния *.sta, который может быть позднее загружен в прибор и отображен на экране. В приборах АММ-3068 и АММ-3088, помимо файла состояния, результат тестирования можно сохранить в файлах типа *.csv (на внешнем запоминающем устройстве), чтобы в дальнейшем обрабатывать программными средствами, например Microsoft Excel (рис. 12).
Подводя итог, можно сказать, что анализаторы компонентов, благодаря широким возможностям по изменению параметров тестового сигнала, встроенного генератора напряжения и тока смещения, встроенного компаратора, режиму многоточечных измерений (работы по списку), а старшие модели серии дополнительно функции сканирования и графического анализа, возможностям по документированию и сохранению результатов измерений, являются одними из самых функциональных и точных приборов в современной радиолаборатории.
