Патент на изобретение №2168736

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ НЕЛИНЕЙНОСТИ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕЗЫНЕРЦИОННОГО ДВУХПОЛЮСНИКА

(57) Реферат:

Использование: в электроизмерительной технике и при разработке методов и средств неразрушающего контроля. Технический результат заключается в устранении недостатков известных способов и возможности определения значения уровня нелинейности вольт-амперной характеристики пассивного неполярного безынерционного двухполюсника при использовании степенной функции с вещественным показателем степени тока. Это достигается определением уровня нелинейности вольт-амперной характеристики безынерционного двухполюсника. Способ включает пропускание через пассивный неполярный безынерционный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока. Причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов пренебрежимо мало. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при разработке методов и средств неразрушающего контроля, определения значений параметров и электрофизической диагностики резисторов, резистивных и проводящих структур интегральных микросхем (ИМС) с низким уровнем нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ). Изобретение позволяет осуществить возможность определения значения уровня нелинейности ВАХ пассивного неполярного безынерционного двухполюсника при импульсном тестовом электрическом воздействии.

Широко известны косвенные способы определения уровня U(I) нелинейности ВАХ пассивного безынерционного двухполюсника как функции постоянного тока I, заключающиеся в определении отклонения падения напряжения на двухполюснике при пропускании постоянного тока I от значения, соответствующего идеальному двухполюснику (закону Ома) [1]. При этом предполагается предварительное определение значения сопротивления R₀ двухполюсника вблизи точки равновесия (при малых значениях тока I) и напряжения U, соответствующего току I (U= R(I)I), где R(I) – зависящее от тока сопротивление контролируемого двухполюсника. Тогда значение U(I)=R(I)I-R₀I.

Известен также способ, осуществляющий прямое формирование аналогового сигнала-отклика, соответствующего уровню U(I) нелинейности ВАХ двухполюсника как функции тока I. Способ является основой прямого дифференциального или нулевого метода измерения сопротивления двухполюсника с использованием одинарной мостовой схемы [2]. При этом значению U(I) непосредственно соответствует параметр U_н – чувствительность мостовой схемы по току в окрестности точки равновесия при условии, что входное сопротивление измерительного прибора R_н>>R, где R = R(I) – сопротивление исследуемого двухполюсника, являющегося одним плечом равноплечего моста. В этом случае U_н = (I_еER₀)/4, где I_е = 2I – ток питания моста, Е = R(I)/R – относительная чувствительность параметрического преобразования, R₀ – линейная часть сопротивления R, R(I) – приращение сопротивления двухполюсника (в нашем случае U(I)= R(I)I), а U(I)= 2U_н при условии низкого относительного уровня нелинейности ВАХ R(I)<0. Способ включает операции пропускания постоянного тока I через контролируемый двухполюсник, включенный в одинарную мостовую схему, и измерение напряжения сигнала- отклика, которое непосредственно представляет нелинейную часть U(I) его ВАХ.

Недостатками способов, основанных на воздействии постоянным электрическим током, являются сложность процесса определения малых значений уровня нелинейности ВАХ двухполюсника и невозможность достижения высоких значений плотности тока из-за разогрева двухполюсника.

Вместе с тем известен способ неразрушающего контроля качества пассивного двухполюсника с активным сопротивлением, основанный на воздействии полигармоническим испытательным сигналом в виде последовательности двухполярных импульсов, не содержащих нулевой компоненты. При этом на дефекте ввиду несимметрии положительных и отрицательных выбросов амплитуд импульсов наводится постоянная составляющая, измеряемая чувствительным микровольтметром постоянного тока [3, с. 171].

Использование импульсного тестового электрического воздействия в виде последовательности двухполярных импульсов, не содержащих нулевой компоненты, позволяет достичь максимально высокого значения плотности тока в импульсе без разрушения образца, а методы диагностики по уровню компоненты U_CCN напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика при импульсном тестовом воздействии характеризуются наиболее высокой чувствительностью к скрытым дефектам, по сравнению с методами второй, третьей гармоник, разностной частоты [3] . Однако известные методы контроля качества и диагностики пассивного безынерционного двухполюсника по уровню U_CCN не позволяют определять значения уровня нелинейности его ВАХ.

Наиболее близким по технической сущности является известный способ определения уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника с низким уровнем нелинейности [4].

Данный способ, как и предыдущий, включает пропускание через исследуемый образец, имеющий нелинейную ВАХ, последовательности прямоугольных импульсов тока с постоянной амплитудой и не содержащих постоянной составляющей, и измерений напряжения U_CCN = U_ПС постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающего вследствие нелинейности ВАХ образца, и отличается от предыдущего способа тем, что с целью определения значения U(I) уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника допускают, что его ВАХ может быть представлена степенной функцией
U(I)=R₀I+В I ^{= U₁(I) + U(I)),
B=R0Z,
где В, Z – параметры ВАХ, – – показатель степени тока нелинейной части ВАХ, устанавливают значение скважности Q = T_и/t_и импульсного воздействия из условия Q >> 2, где T_и – период следования, а t_и – длительность импульсов тока соответственно, и определяют значение U(I) уровня нелинейности ВАХ для случая = 3 (двухполюсник с низким уровнем кубической компоненты ВАХ) из соотношения
U(I)=Q3(Q-2)(Q-1)]-1U_CCN.}

Обобщенным недостатком данного известного способа определения значения уровня нелинейности ВАХ является его применимость только к идеализированному безынерционному двухполюснику с кубической компонентой нелинейности ВАХ, что делает невозможным использование его на практике. Так, например, выражение для уровня нелинейности ВАХ двухполюсника соответствует значению тока I=I_и= I_v1-I_v2, где I_v1 и I_v2 – значения импульсов (видеоимпульсов) тока длительностью _v1 и _v2 соответственно (I_v1=-(Q-I)I_v2, а Q= _p/_v1 > 2, где _p – период следования видеоимпульсов тока с амплитудами |I_v1| и |I_v2|), в то время как реальный процесс измерения U_CCN происходит при воздействии видеоимпульсов тока с величинами I_v1 и I_v2. Отмеченное различие заданного и воздействующих значений тока не проявляется лишь для частого случая идеализированного безынерционного двухполюсника с кубической компонентой нелинейности ВАХ. В случае же реального двухполюсника применение импульсного тестового воздействия, параметры которого заданы так, что I_v1 – I_v2 = I, может привести к возникновению неучтенной компоненты погрешности определения или к недостоверности полученного значения уровня нелинейности ВАХ двухполюсника и поэтому является некорректным и недопустимым.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известного способа, основанного на применении импульсного тестового электрического воздействия, с целью осуществления возможности определения значения уровня нелинейности ВАХ пассивного неполярного безынерционного двухполюсника при использовании степенной функции с вещественным показателем степени тока для представления нелинейной части его ВАХ.

Поставленная цель достигается за счет того, что в соответствии со способом определения уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника, включающем пропускание через пассивный неполярный безынерционный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока I_v1 и I_v2, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов I_v1 и I_v2 пренебрежимо мало, а допустимые для двухполюсника значения тока видеоимпульсов I_v1 и I_v2 связаны между собой соотношением I_v1= -(Q-I)I_v2, где Q = _p/_v1 > 2 – скважность, а _p и _v1 – период следования видеоимпульсов с амплитудами |I_v1| и |I_v2| и длительность видеоимпульсов с амплитудой |I_v1| соответственно, причем |I_v1| и |I_v2|, и измерение U_CCN – информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающей вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) двухполюсника, причем ВАХ двухполюсника представляют в виде функции

где U₁(I)= r₁I – линейная часть ВАХ, соответствующая закону Ома, r₁ = const – независящая от тока I часть сопротивления двухполюсника, значение уровня нелинейности ВАХ, соответствующее заданному значению тока I, В – параметр нелинейности ВАХ, – действительное число, имеющее смысл показателя степени тока нелинейной части ВАХ, при измерении U_CCN значение видеоимпульсов тока I_v1 устанавливают равным заданному значению тока I, выбирают значение скважности Q не менее Q_min>2 так, чтобы компонента (Q) относительной погрешности определения уровня U(I) нелинейности ВАХ, значение которой оценивают из соотношения (Q) = [(Q-1)^{-1-1]-1, не превышала предельно допустимого значения, где Q_min – значение скважности, соответствующее предельно допустимому значению (Q), а значение U(I) определяют из соотношения U(I) A(Q)U_CCN, где A(Q) – функция скважности и параметров, определяющих нелинейность ВАХ двухполюсника, полагая A(Q) = Q.}

При этом, для определения значений параметров В и , задают значение скважности Q и значения границ для области видеоимпульсов тока I_v1, внутри которой предполагается определение значений параметров В и , измеряют в пределах заданной области для нескольких значений видеоимпульсов тока I_v1 соответствующие значения напряжения U_CCN, включая значения для заданных границ области видеоимпульсов тока I_v1, определяют последовательно значения , B_CCN функции U_CCN = B_CCN|I_v1|^{-1I_v1 и затем значения A(Q) и В с использованием соотношений
A(Q) = Q/[1-(Q-1)1-], > 1,
B= A(Q)B_CCN.}

В случае же определения значения уровня нелинейности ВАХ по результату отдельного измерения U_CCN для двухполюсника с известным характерным значением полагают A(Q) = A(Q).

Способ определения уровня нелинейности ВАХ основан на установленной возможности эффективного использования степенной функции с вещественным показателем степени тока для формального представления нелинейной части ВАХ пассивного неполярного безынерционного двухполюсника. При этом на основе данного способа возможно проведение разработок конкретных методов определения уровня нелинейности ВАХ, интегральной электрофизической диагностики и неразрушающего контроля качества резисторов, резистивных и проводящих структур интегральных микросхем, и некоторых других изделий электронной и электротехнической промышленностей.

Отличаясь простотой аппаратурной реализации, способ предназначен, прежде всего, для определения малых значений уровня нелинейности ВАХ безынерционных двухполюсников при импульсном тестовом электрическом воздействии и фактически представляет собой авторазностный способ, при котором основные операции сравнения падений напряжений осуществляются с высокой точностью в течение периода следования тестовых импульсов тока непосредственно на контролируемом двухполюснике.

Сущность способа определения уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника с низким относительным уровнем нелинейности ВАХ заключается в предварительном определении по результатам измерения U_CCN при импульсном тестовом воздействии для данного двухполюсника, выбранного значения скважности Q, исходя из допустимого значения погрешности, и заданного значения границ для области видеоимпульсов тока I_v1, внутри которого предполагается определение уровня нелинейности ВАХ, значения показателя степени тока. После чего определяют значение B_CCN функции U_CCN = B_CCN|I_v1|^{-1I_v1 и затем значения A(Q), и В с использованием соотношений
A(Q) = Q/[1-(Q-1)-1], > 1,
В= A(Q)B_CCN.}

При определении значений и B_CCN на практике можно воспользоваться, например, известным численным методом [5, стр.140], обеспечивающим нахождение значений параметров функции при решении задачи степенной регрессии.

В таблице приведены значения (Q) (в процентах), рассчитанные из соотношения (Q) = [(Q-1)^{-1-1]-1 для ряда характерных значений и Q. Видно, что погрешность (Q) определения значения уровня нелинейности ВАХ уменьшается при увеличении как скважности Q, так и показателя степени тока.}

Таким образом, измерив U_CCN при Q>10, можно определить значение U(I) уровня нелинейности ВАХ двухполюсника при >2 с компонентой (Q) относительной погрешности определения U(I) не более 12,5%. Если же Q>32, то (Q) не превышает 5%, что оказывается уже вполне приемлемым для использования на практике.

При определении значения U(I) при небольших значениях скважности (4(Q) можно значительно уменьшить, если вместо скважности использовать функцию A(Q). При этом, однако, необходимо иметь информацию о значении параметра , что может потребовать проведения дополнительных измерений.

В случае неполярного двухполюсника, имеющего небольшую, но ощутимую асимметрию уровня нелинейности ВАХ в первом и третьем квадрантах (двухполюсник с небольшой асимметрией ВАХ), его выводы помечаются, а значения U_CCN, , функции A(Q) и значение коэффициента В определяют для первого и третьего квадрантов ВАХ раздельно с учетом направления протекания тока I_v1.

Представим пример определения значений уровней нелинейности ВАХ для конкретного неполярного безынерционного двухполюсника в соответствии с предлагаемым способом:
1. Экземпляр резистора типа ОМЛТ-2-1,6 кОм10% выбракован при входном контроле из-за высокого уровня нелинейности ВАХ.

2. Незначительная зависимость напряжения U_CCN от длительности видеоимпульсов тока I_v1 в диапазоне _v1 от 0,5 до 1000 мкс дает возможность отнести данный экземпляр резистора при _v1 >1 мкс к идеализированной категории “безынерционных” двухполюсников.

3. Допустим, что требуется грубо определить значение уровня нелинейности ВАХ, соответствующее току I= 20 мА, с относительной погрешностью (Q) не более 20%, в предположении, что данный экземпляр резистора является неполярным двухполюсником.

3.1. Допуская, что нелинейная часть ВАХ резистора может быть представлена степенной функцией в соответствии с п.1 формулы изобретения, а значение показателя степени тока не менее двух 2) [4], выбираем по табл. 1, например, значение скважности Q = 10. При этом значение (Q) не превышает 12,5%.

3.2. В соответствии с п.1 формулы изобретения и п.п.1, 2, 3, 3.1 примера измерение напряжения U_CCN проводим при I_v1 = I= +20 мА, установив следующие значения параметров импульсного тестового воздействия: _v1 = 4 мкс; Q = 10.

3.3. Результаты измерения U_CCN при выполнении условий п. 3.2 показали, что U_CCN=-1,15 мВ.

3.4. Используя соотношение из п.1 формулы изобретения, определяем окончательно значение уровня U(I) нелинейности ВАХ резистора при токе I=20 мА:
U(I) A(Q)U_CCN=QU_CCN =10(-1,15 мВ)=-11,5 мВ.

4. Допустим, в отличие от п. 3 примера, что требуется определить значение уровня нелинейности ВАХ резистора, соответствующее току I = 20 мА, с относительной погрешностью (Q) не более 10% при скважности Q=10 также в предположении, что данный экземпляр резистора является неполярным двухполюсником и значение 2.

4.1. В этом случае необходимо определить значение показателя степени тока, поскольку при = 2 в соответствии с данными табл. 1 значение (Q)= 12,5% и превышает заданную величину.

4.2. В соответствии с п.2 формулы изобретения определяем значения границ для области видеоимпульсов тока I_v1, внутри которой предполагается определение значений параметров В и , например, как I_B1 = = 2,2 мА; I_E1= I_v1= I= 20 мА, для первого квадранта ВАХ, и I_B2 -2,2 мА; I_E2=-20 мА – для третьего. После чего определяем, например, 8 значений видеоимпульсов тока I_v1, логарифмически равномерно распределенных внутри установленных промежутков, как I_v1 = 20; 10; 5; 2,2; -20; -10; -5; -2,2 мА.

4.3. Результаты измерения U_CCN=U_CCN(I_v1) при Q=10, _v1 = 4 мкс представлены следующим двумерным массивом [I_v1, мА / U_CCN, мкВ]:
[20/-1150]; [10/-205]; [5/-38]; [2,2/-5];
[-20/1180]; [-10/227]; [-5/43]; [-2,2/6]; [0/0].

4.4. Обработка результатов измерений U_CCN с использованием соотношений п. 2 формулы изобретения дает следующие значения для , A(Q) и В при относительной среднеквадратичной погрешности аппроксимации входного массива степенной функцией 5,77% и максимальной погрешности при аппроксимации 9,73%:
=2,427; A<sup>.
4.5. При определении значения уровня нелинейности ВАХ резистора для этого случая возможны следующие варианты:
4.5.1. Значение U(I) определяем в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения:

при минимальном значении (Q).</sup>

4.5.2. Значение U(I) определяем в соответствии с п. 3 формулы изобретения при = 2,427; A(Q)= A(Q)= 10,45 и, например, при среднем значении U_CCN для первого и третьего квадранта ВАХ:
U_CCN=(U_CCN1-U_CCN3)/2=(-1,15- (+1,18))/2=-1,165 мВ:
A(Q)U_CCN=10,45(-1,165)=-12,17 мВ
при минимальном значении (Q).

4.5.3. Значение U(I) определяем в соответствии с отличительной частью п. 1 формулы изобретения при =2,427; A(Q)= Q=10; U_CCN=(U_CCN1-U_CCN3)/2=(-1,15 -(+1,18))/2=-1,165 мВ:
U(Q) A(Q)U_CCN=10(-1,165)=-11,65 мВ
при (Q) =4,21%.

Видно, что предлагаемый способ вполне может быть использован на практике при определении уровня нелинейности ВАХ резистора, хотя предпочтение, по-видимому, следует отдать вариантам способа определения значения уровня нелинейности ВАХ резистора, рассмотренным в разделах 4.5.1 и 4.5.2 настоящего примера. Ясно также, что увеличение значения скважности Q эффективно уменьшает значение (Q).

Вместе с тем, судя по результатам измерения зависимости U_CCN от тока I_v1, представленным в разделе 4.3 примера, можно допустить наличие ощутимой асимметрии ВАХ резистора в первом и третьем квадрантах. Поэтому рассмотрим также вариант способа определения уровня нелинейности ВАХ с учетом этой особенности данного экземпляра резистора на примере применения п. 3 формулы изобретения.

5. Допустим, что резистор представляет собой безынерционный двухполюсник с небольшой асимметрией ВАХ, выводы которого помечены. Причем для первого квадранта ВАХ резистора имеем следующий массив в представлении [I_v1, мА / U_CCN, мкВ]:
[20/-1150]; [10/-205]; [5/-38]; [2,2/-5]; [0/0],
а для третьего –
[-20/1180]; [-10/227]; [-5/43]; [-2,2/6]; [0/0].

5.1. Обработка результатов, представленных в п.5, дает:
– для первого квадранта ВАХ =2,461; A ^{при относительной среднеквадратичной погрешности аппроксимации входного массива степенной функцией 0,718% и максимальной погрешностью при аппроксимации -1,29%;
– для третьего квадранта ВАХ =2,394; A при относительной среднеквадратичной погрешности аппроксимации входного массива степенной функцией 0,373% и максимальной погрешностью при аппроксимации – 0,607%.}

5.2. В соответствии с п. 3 формулы получаем окончательно:
– для первого квадранта ВАХ при I_v1=I=+20 мА
(Q)-U_CCN=10,42(-1,15)=-11,98 мВ;
– для третьего квадранта ВАХ при I_v1=I=-20 мА
) (Q)U_CCN=10,49(+1,18)=+12,38 мВ
при минимальных значениях (Q).

Видно, что для данного экземпляра резистора аппроксимация ВАХ степенной функцией точно, просто и наглядно отражает нелинейные эффекты и их полярные различия, а применение предлагаемого способа позволяет осуществить определение значений уровня нелинейности его ВАХ.

Важно, что все операции, необходимые для определение значений уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника, могут быть автоматизированы. Причем характерные значения времени цикла простейших автоматизированных операций, необходимых для определения значений уровня нелинейности ВАХ, составляют десятые доли секунды на объект и единицы секунд при вариантах, требующих до десятка операций измерения напряжения U_CCN для контролируемого объекта.

Структурная схема и технические характеристики измерительного устройства приведены в работе [4].

Область использования предлагаемого способа – неразрушающий контроль качества и электрофизическая диагностика различных видов радиоизделий и компонентов ИМС. Применение предлагаемого способа, характеризующегося высокой чувствительностью и низкой погрешностью, позволяет создавать на его основе высокоэффективные методы и средства определения уровня нелинейности ВАХ и диагностики различных пассивных безынерционных двухполюсников в системах контроля качества по эффектам нелинейности.

Источники информации
1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин; Учеб. пособие для студентов вузов, 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1989, с. 284, (с. 21).

2. Туригин А.М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. – Л.: Энергия, 1975, с. 124.

3. Данилин Н. С. Неразрушающий контроль качества продукции радиоэлектроники. – М.: Издательство стандартов, 1976, с. 240.

5. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. – М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, с. 240.

Формула изобретения

1. Способ определения уровня нелинейности вольт-амперной характеристики безынерционного двухполюсника, включающий пропускание через пассивный неполярный безынерционный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока I_v1 и I_v2, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов I_v1 и I_v2 пренебрежимо мало, а допустимые для двухполюсника значения тока видеоимпульсов I_v1 и I_v2 связаны между собой соотношением I_v1 = – (Q – 1) I_v2, где Q = _p/_v1 > 2 – скважность, а _p и _v1 – период следования видеоимпульсов с амплитудами и длительность видеоимпульсов с амплитудой соответственно, причем и измерение U_CCN – информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающей вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики двухполюсника, причем вольт-амперную характеристику двухполюсника представляют в виде функции

где U₁(I) = r₁I – линейная часть вольт-амперной характеристики, соответствующая закону Ома;
r₁ = const – независящая от тока I часть сопротивления двухполюсника;
значение уровня нелинейности вольт-амперной характеристики, соответствующее заданному значению тока I;
B – параметр нелинейности вольт-амперной характеристики;
– действительное число, имеющее смысл показателя степени тока нелинейной часть вольт-амперной характеристики,
отличающийся тем, что при измерении U_CCN значение видеоимпульсов тока I_v1 устанавливают равным заданному значению тока I, выбирают значение скважности Q не менее Q_min > 2 так, чтобы компонента (Q) относительной погрешности определения уровня U(I) нелинейности вольт-амперной характеристики, значение которой оценивают из соотношения
(Q) = [(Q-1)<sup>-1-1]-1,
не превышала предельно допустимого значения,
где Q_min – значение скважности, соответствующее предельно допустимому значению (Q);
U(I) определяют из соотношения

где A(Q) – функция скважности и параметров, определяющих нелинейность вольт-амперной характеристики двухполюсника, полагая A(Q) = Q.</sup>

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения значений параметров B и задают значение скважности Q и значения границ для области видеоимпульсов тока I_v1, внутри которой предполагается определение значений параметров B и , измеряют в пределах заданной области для нескольких значений видеоимпульсов тока I_v1 соответствующие значения напряжения U_CCN, включая значения для заданных границ области видеоимпульсов тока I_v1, определяют последовательно значения , B_CCN функции и затем значения A(Q) и B с использованием соотношений
A(Q) = Q/[1-(Q-1)^{1-], > 1,
B = A(Q)B_CCN.}

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае определения значения уровня нелинейности вольт-амперной характеристики по результату отдельного измерения U_CCN для двухполюсника с известным характерным значением полагают A(Q) = A(Q) = Q/[1-(Q-1)^{1-], > 1.}

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.12.2005

Извещение опубликовано: 10.12.2006 БИ: 34/2006