Проект: Нелинейный измеритель характеристик цепей основной полосы частот

В аппаратном отношении разрабатываемый прибор будет представлять собой генератор ступенчатого сигнала с управляемой амплитудой, рефлектометрический тракт для реализации измерений на отражение и стробоскопическое регистрирующее устройство. Отличительной особенностью аппаратной реализации будет использование ключевых элементов для генератора и строб-преобразователя томской разработки и производства. Переговоры о принципиальной возможности выполнения такой работы проводятся с компанией АО "НИИПП". Главные особенности и преимущества прибора будут в программном обеспечении, которое будет отвечать за реализацию нескольких новых режимов: 1) режима рефлектометрического измерения ВАХ; 2) режима короткоимпульсного измерения вольт-фарадных характеристик; 3) нелинейно-инерционной видеоимпульсной характеризации устройств в режиме черного ящика. Кроме того, будет реализовываться и привычный режим импульсного измерения ВАХ. В связи новизной предлагаемых решений можно ожидать получение ряда научных результатов, которые могут вылиться в подготовленные диссертационные работы, научные статьи и монографии, результаты интеллектуальной деятельности.

В настоящее время стоят задачи по импортозамещению ряда электронных приборов и устройств. В процессе создания и характеризации готовых приборов требуется измерять их параметры. Чаще всего такое тестирование приходится выполнять в импульсном режиме для устранения влияния тепловых процессов на результаты измерения. Кроме того, импульсные сигналы являются, в большинстве случаев, рабочими. Измерение на рабочих сигналах позволяет существенно точнее характеризовать особенности функционирования прибора. В большинстве случаев для импульсных измерений используются зарубежные измерительные приборы и установки. В последнее время их цена драматически возросла, а доступность снизилась. Однако даже самые авторитетные производители измерительной техники не успевают удовлетворить возрастающие запросы в части количественных и функциональных требований к импульсным измерительными приборам. В частности, лучшие измерители ВАХ имеют длительность тестового импульса несколько сот наносекунд. В то же время, время тепловой релаксации (и релаксации другой природы) в современных приборах могут составлять десятки наносекунд или даже менее. В итоге, для измерений продвинутых электронных приборов и устройств, как правило, не удается подобрать оборудование, которое в полной мере отвечает требованиям по длительности импульса, формируемым токам и напряжениям. В современной импульсной измерительной технике, также, отсутствует важный и востребованный измерительный функционал. Речь идет о видеоимпульсных измерениях реактивных токов и накапливаемых в емкостях зарядов. Такие измерения реализованы в измерительных приборах только с использованием непрерывного гармонического сигнала. В целом ряде случаев это не позволяет получить адекватную информацию о таких, например, процессах как термически активированная поляризация в диэлектриках и полупроводниках, действие глубоких энергетических центров в электронных приборах и пр. Результаты импульсных измерений характеристик электронных приборов и устройств могут быть капсулированы в основанные на измерениях модели, которые далее будут использоваться в САПР. Однако ни один из зарубежных производителей на настоящий момент не сумел предложить основанные на измерениях поведенческие модели, которые были бы восприняты инженерами и могли работать на импульсных и сверхширокополосных сигналах. Наша разработка способна удовлетворить как растущие запросы по сокращению длительности и увеличению амплитуды тестовых сигналов, так и предложить новый функционал в области импульсного и рефлектометрического измерения вольтамперных, зарядовых и емкостных характеристик. Кроме того, предлагаемый прибор может использоваться как средство получения (автоматическим образом) новых поведенческих моделей импульсных и сверхширокополосных устройств.

Предметом разработки является нелинейный измеритель характеристик цепей основной полосы частот. Предметом исследования является ряд аспектов измерительных и калибровочных алгоритмов, а также технические проблемы создания мощных источников коротких импульсов и эффективных стробоскопических преобразователей.

При реализации прибора будут использованы следующие инновационные методы. 1. Метод короткоимпульсного рефлектометрического измерения вольтамперных характеристик (ВАХ). 2. Метод видеоимпульсного измерения вольт-кулонных и вольт-фарадных характеристик. 3. Метод синтеза основанных на измерениях поведенческих моделей в виде нелинейных рекурсивных фильтров.

Метод рефлектометрического измерения ВАХ обеспечивает изотермический режим измерения, а также правильное отображение падающих участков ВАХ. Такие участки встречаются у отдельных электронных приборов (диоды Ганна, туннельные диоды) и у специальных схем (негаторы, схемы с положительной обратной связью). Статически удержать фиксированное напряжение на таком участке практически невозможно. Малые стохастические отклонения будут усилены отрицательным дифференциальным сопротивлением, что приведет к лавинообразному "скатыванию" напряжения с этого участка. Поэтому статические измерители ВАХ такой участок "проскакивают". В рефлектометрическом методе усиленный отрицательным дифференциальным сопротивлением отклик рассматривается как отраженная волна и отделяется от основного сигнала временной задержкой. Реализация данного подхода в виде законченных приборов на мировом рынке отсутствует. 2. Метод видеоимпульсного измерения вольт-кулонных и вольт-фарадных характеристик обеспечивает корректное измерение реактивных свойств объектов с внутренней инерцией . В обычных методах измерения емкости используется непрерывный сигнал, в результате чего наблюдается лишь общий заряд, накопленный в результате самых разных физических механизмов (барьерный, диффузионный заряд, термоактивированная поляризация кристаллических дефектов и пр.). Это, с одной стороны, не позволяет создать правильное представление о ряде важных физических эффектов в полупроводниковых приборах (например, диагностировать источники потерь энергии в высокодобротных варикапах). С другой стороны статические методы измерения емкости дают неправильное представление о работе приборов в импульсном режиме воздействия. Реализованные аналоги предлагаемого измерителя в этой части также неизвестны. 3. Используемые поведенческие модели устройств в виде нелинейных рекурсивных фильтров просты для понимания инженерами за счет того, что им можно сопоставить некоторую нелинейную эквивалентную схему. В то же время, они отражают все существенные для инженерной практики особенности переходных характеристик при порядке модели не выше третьего. При автоматическом измерении характеристических функций в этих моделях возникает ряд проблем, связанных с единственностью и устойчивостью решения. Предлагаемые приемы для определения и уменьшения погрешности измерения будут обладать новизной.

Принципы рефлектометрического измерения вольт-амперных, емкостных и зарядовых характеристик опробованы на простых примерах. Подтверждена реализуемость и удовлетворительная погрешность методов измерения. Разработаны поведенческие модели в виде нелинейных многопетлевых рекурсивных фильтров с интеграторами в обратных связях. Показано, что модели не выше третьего порядка отражают все существенные особенности переходных характеристик импульсных устройств. Опробованы рекурсивные и итерационные методики определения характеристик в этих моделях. Для моделей первого порядка разработан метод косвенного измерения характеристических функций модели с определяемой погрешностью. Сформулированы подходы к измерению с определяемой погрешностью характеристических функций в моделях более высоких порядков. Имеется задел в области создания формирователей импульсов на диодах с накоплением заряда с длительностью фронта от 50 пс и напряжением до 50 В. Проводился анализ и учет влияния оснастки, сопротивления и индуктивности источника сигнала на результаты измерений.

Современные характериографы обеспечивают либо большие амплитуды сигнала (десятки вольт, десятки ампер) при большой длительности тестового импульса (от 50 мкс), либо малую длительность импульса (100 нс и менее) при небольших напряжениях и токах (доли или единицы вольт и ампер). Для ряда применений данные сочетания параметров недостаточны. Например, оценки показывают, что для получения изотермической ВАХ диода Ганна требуется импульс амплитудой 60 В / 50 А длительностью порядка 10...20 нс. При разработке генератора тестовых сигналов мы ориентируемся либо на напряжения и токи в десятки вольт (ампер) при длительности импульса в десятки наносекунд, либо на длительности 50...500 пс при напряжениях порядка 10 В. Функционал современных характериографов не предусматривает рефлектометрическое измерение ВАХ, в том числе на падающих участках характеристики. Также не реализовано видеоимпульсное измерение емкости и заряда на коротких и сверхкоротких импульсах. В разрабатываемом измерителе такой функционал будет создан. Ни один из современных характериографов не обеспечивает автоматическое измерение характеристик поведенческих видеоимпульсных моделей приборов и устройств. В предлагаемой разработке будет присутствовать такой функционал.