Пристрій для вимірювання нелінійної провідності

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров электрических цепей, в том числе имеющих отрицательную дифференциальную проводимость (сопротивление), может быть использовано для неразрушающего контроля качества как пленочных, так и полупроводниковых резисторов, диодов, p-n переходов, туннельных переходов, диодов. Известны [Патент ФРГ №3815009, кл. G 01 R 27/02.1990] устройство и способ для неразрушающего измерения омического сопротивления тонких пленок с использованием принципа вихревых токов. При этом в индуктивность вводится переменный ток, возникающее магнитное поле возбуждает в тонкой пленке вихревой ток, магнитное поле которого ослабляет первичное поле индуктивности, устройство отличается тем, что индуктивность вместе с емкостью образует колебательный контур, который постоянно удерживается в резонансном состоянии. Недостатком этого способа является отсутствие достоверности при измерении объекта, имеющего отрицательную дифференциальную проводимость (сопротивление) из-за неконтролируемого возникновения в процессе измерений в контуре, образованном индуктивностью, емкостью и объектом с отрицательным дифференциальным сопротивлением, паразитных искажающих электромагнитных колебаний. Известно [Патент США №4870371, кл. G 01 R 27/00,1990], устройство для измерения полного сопротивления, которое в испытуемом приборе содержит два измерительных провода для подсоединения к испытуемому прибору; источник постоянного напряжения, включенный между измерительными проводами, так что напряжение между измерительными проводами пропорционально полному сопротивлению испытуемого прибора; усилитель с двумя дифференциальными входами, включенный между измерительными проводами, причем входное полное сопротивление между дифференциальными входами значительно выше, чем полное сопротивление испытываемого прибора. Устройство содержит также блок настройки для возбуждения выходного сигнала на выходе усилителя, который пропорционален относительно большому множеству полных сопротивлений в области низких полных сопротивлений и относительно небольшому множеству полных сопротивлений в области высоких полных сопротивлений, в результате расширяется 5 область измерения полного сопротивления с заданной чувстви тельностью и расширяется диапазон выходных напряжений. Кроме того, устройство содержит блок управления блоком настройки, причем блок управления и задает режим работы, а именно, первоначально осуществляется измерение полного сопротивления между электродами в области низких полных сопротивлений, затем блок управления переключает диапазон измерений в область высоких полных сопротивлений, когда напряжение выходного сигнала соответствующее величине полного сопротивления больше, чем заранее задания величина. Недостатком этого устройства является отсутствие достоверности измерений при измерении объекта, имеющего отрицательную дифференциальную проводимость (сопротивление) за счет неконтролируемого возникновения в процессе измерений в контуре, образованном измерительными проводами, усилителем и объектом с отрицательным дифференциальным сопротивлением, искажающих электромагнитных Їколебаний. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения сопротивления способом амперметра-вольтметра [Авт.св. СССР №1508176. кл. G 01 R 27/02, 1989]. Устройство содержит источник регулируемого постоянного напряжения (состоящий из источника питания и выходного переменного резистора), соединенный последовательно с измеряемым сопротивлением и амперметром, один конец измеряемого сопротивления соединен с выводом вольтметра, ко второму концу измеряемого сопротивления подключены вывод амперметра и вывод нуль-индикатора, второй вывод нульиндикатора подсоединен к свободному выводу вольтметра и одновременно к выводу переменного резистора, второй вывод переменного резистора подключен к выводу амперметра. Недостатком известно устройства является то, что при измерении с его помощью отрицательной дифференциальной проводимости (сопротивления) происходит неконтролируемое возникновение паразитных искажающих электромагнитных колебаний при включении источника, соединенного последовательно с измеряемым резистором и амперметром, в результате чего нелинейная проводимость (сопротивление) измеряются · с неконтролируемой погрешностью при измерении нелинейной проводимости (сопротивления). В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения нелинейной проводимости (сопротивления), способного достоверно измерять проводимость (сопротивление) объектов как с положительным, так и с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что значительно расширяет его функциональные возможности. Поставленная задача решается тем, что устройство содержит (фиг.1) источник регулируемого постоянного напряжения 1 (состоящий из источника питания и выходного переменного резистора), соединенный последовательно с амперметром 2 (или измерительным резистором с подсоединенным к нему параллельно вольтметром) и измеряемым объектом 3, к измеряемому объекту 3 параллельно подсоединен вольтметр 6, отличается тем, что измеряемый объект соединен одним концом с регулируемой сверхпроводниковой катушкой индуктивности 4, которая вторым концом соединена с источником питания, тем. что параллельно измеряемому объекту подключен переменный конденсатор 5, соединенный параллельно с вольтметром 6. тем. что параллельно регулируемой сверхпроводниковой катушке индуктивности 4 подключен широкополосный вольтметр переменного напряжения 8, тем. что параллельно источнику питания подсоединен согласующий переменный резистор 7, а также тем, что переменный конденсатор 9 подсоединен одним концом в точку соединения измеряемого объекта 3 и амперметра 2. а вторым концом в точку соединения регулируемой сверхпроводниковой катушки индуктивности 4 и согласующего переменного резистора 7. Устройство содержит источник регулируемого постоянного напряжения 1 (состоящий из источника питания и выходного переменного резистора}, соединенный последовательно с амперметром 2 (состоящим из измерительного резистора с подсоединенным к нему параллельно вольтметром), с измеряемым объектом 3 и регулируемой сверхпроводниковой катушкой индуктивности 4, к измеряемому объекту 3 параллельно подсоединены регулируемый конденсатор 5 и вольтметр 6, к регулируемой сверхпроводниковой катушке индуктивности 4 параллельно подсоединен широкополосный вольтметр переменного напряжения 8, к источнику регулируемого постоянного напряжения 1 параллельно подсоединен переменный согласующий резистор 7, переменный конденсатор 9 подсоединен одним концом в точку соединения измеряемого объекта 3 и амперметра 2, а вторым концом в точку соединения регулируемой сверхпроводниковой катушки индуктивности 4 и согласующего переменного резистора 7. На фиг.1 представлена блок-схема устройства. Устройство работает следующим образом. Предварительно проводим подстройку устройства для работы. С помощью источника регулируемого постоянного напряжения 1 задаем медленно изменяющееся во времени, например, "пилообразное", либо синусоидальное напряжение. С помощью широкополосного вольтметра переменного напряжения 8 измеряем амплитуду переменного напряжения, которое возникает на регулируемой сверхпроводниковой катушке индуктивности 4; в случае, если измеряется характеристика N-типа, отключаем переменный конденсатор 9, увеличивая величину индуктивности L регулируемой сверхпроводниковой катушки индуктивности 4, одновременно согласованно увеличиваем величину емкости С регулируемого конденсатора 5 и регулируем переменный согласующий резистор 7 до исчезновения на регулируемой сверхпроводниковой катушке индуктивности 4 какого-либо переменного напряжения, что свидетельствует от о тсутствии в цепи переменных токов, а также до выполнения неравенств r IRjI и L> IR jl rC для того, чтобы привести устройство в рабочее состояние. В процессе предварительной подстройки измеряем параметры элементов устройства (а именно, индуктивность L, сопротивление г, емкость С, сопротивление R j) и на основании результатов измерений проводим подстройку, учи тывая тот факт, что пока подстройка не завершена, Rj - величина измеряемого отрицательного дифференциального сопротивления измеряется с неконтролируемой погрешностью. После того как подстройка проведена, проводим измерение. Для этого с помощью источника регулируемого постоянного напряжения 1 задаем медленно изменяющейся во времени, например, "пилообразный", либо синусоидальный ток, протекающий через амперметр 2, измеряемый объект 3 и регулируемую свер хпроводниковую катушку индуктивности 4, с помощью амперметра 2 измеряем величину тока, протекающего в цепи, одновременно с помощью вольтметра 6 измеряем величину напряжения, возникающего на измеряемом объекте 3, при этом с помощью широкополосного вольтметра переменного напряжения 8 фиксируем отсутствие в процессе измерений паразитных искажающих переменных токов в устройстве. Значения тока и напряжения записываем с помощью компьютера или какого-либо другого записывающего устройства. Строим график зависимости тока от напряжения (вольт-амперную характеристику) для измеряемого объекта 3, с помощью вольт-амперной характеристики рассчитываем величины нелинейной проводимости (сопротивления) измеряемого объекта в различных точках вольтамперной характеристики в том числе на участках с отрицательной дифференциальной проводимостью (сопротивлением). Таким образом мы проводим измерение нелинейной проводимости (сопротивления) объекта с отрицательной дифференциальной проводимостью (сопротивлением) при отсутствии возбуждения каких-либо собственных электромагнитных колебаний (о чем свидетельствует выполнение неравенств r < IRjI и LIRjI и L>IR jI rC для характеристик S-типа, а также при отсутствии в измерительной цепи электромагнитных колебаний, генерируемых внешними источниками, (помех от внешних источников), о чем свидетельствует отсутствие переменного напряжения на регулируемой сверхпроводниковой катушке индуктивности 4 (измеряется с помощью широкополосного вольтметра переменного напряжения 8). На фиг.2 в качестве примера изображена вольт-амперная характеристика N-типа туннельного диода, имеющая участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением, измеренная с помощью описанного устройства. С помощью источника регулируемую постоянного напряжения 1 задаем медленно изменяющийся во времени, например, "пилообразный", либо синусоидальный ток, протекающий через амперметр 2, туннельный диод 3 и регулируемую свер хпроводниковую катушк у индуктивности 4, отключаем переменный конденсатор 9, с помощью амперметра 2 измеряем величину тока, протекающего через туннельный диод 3, одновременно с помощью вольтметра 6 измеряем величину напряжения, возникающего на туннельном диоде 3, при этом с помощью широкополосного вольтметра переменного напряжения 8 фиксируем отсутствие в процессе измерений паразитных искажающих переменных токов в устройстве. Значения тока и напряжения записываем с помощью компьютера или какого-либо другого записывающего устройства. Строим график зависимости тока от напряжения (вольт-амперную характеристику) см. фиг.2 для измеряемого туннельного диода 3, с помощью вольт-амперной характеристики рассчитываем величины нелинейной проводимости (сопротивлений) измеряемого объекта в различных точках вольт-амперной характеристики в том числе на участках с отрицательной дифференциальной проводимостью (сопротивлением), например, для участка между точками А и В: в точке А значение тока IA = 2,07 mА, напряжения UA = 0,11 V, в точке В значение тока IB = 1,65 mA, напряжения UB = 0,16 V, тогда величина дифференциального сопротивления на участке АВ равна Rj = (UB – UA)/(I B – Ι A) = (0,16 V - 0,11 V)/(1.65mA - 2,07mA) = (0,05V)/(-0,42mA) = -119 Ω. На фиг.3 в качестве примера изображена вольт-амперная характеристика туннельного перехода из сверхпроводников, имеющая только положительное дифференциальное сопротивление, измеренная с помощью описанного устройства. С помощью источника регулируемого постоянного напряжения 1 задаем медленно изменяющийся во времени, например "пилообразный", либо синусоидальный ток, протекающий через амперметр 2, туннельный переход из сверхпроводников 3 и регулируемую свер хпроводниковую катушку индуктивности 4, отключаем переменный конденсатор 9, с помощью амперметра 2 измеряем величину тока, протекающего через туннельный переход из сверхпроводников 3, одновременно с помощью вольтметра 6 измеряем величину напряжения, возникающего на туннельном переходе из сверхпроводников 3. при этом с помощью широкополосного вольтметра переменного напряжения 8 фиксируем отсутствие в процессе измерений паразитных искажающих переменных токов в устройстве. Значения тока и напряжения записываем с помощью компьютера или какого-либо другого записывающего устройства. Строим график зависимости тока от напряжения (вольт-амперную характеристику) см, фиг.3 для измеряемого туннельного перехода из сверхпроводников 3, с помощью вольт-амперной характеристики рассчитываем величины нелинейной проводимости (сопротивления) измеряемого объекта в различных точках вольт-амперной характеристики, например, для участка между точками А и В: в точке А значение тока ΙA = 0.99А, напряжения UA =1.0 mV, в точке В значение тока IB = 1.48 В, напряжения UB = 1.30 mV, тогда величина дифференциального сопротивления на участке АВ равна Ri =(UB – UA)/(IB – IA) = (1,30 mV - 1,00mV)/(1,48A 0.99A) = (0,30mV)/(0,49A) = 0,61 m Ω. Введение в измерительную цепь измеряемого объекта с отрицательным дифференциальным сопротивлением (проводимостью) регулируемой сверхпроводниковой индуктивности и регулируемой емкости позволило осуществить на практике в процессе измерений выполнение неравенств r < IRjI и L< IRjI rC для характеристик N-типа, либо r< IRjI и L