53.083.91:537.226.4
Методика и устройство измерения времени переключения емкости нелинейных
конденсаторов
А. Б. КОЗЫРЕВ, Д. М. КОСЬМИН, В. Н. ОСАДЧИЙ
С.-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ),
С.-Петербург, Россия, e-mail: mlpeltech@gmail.com
Рассмотрено устройство, реализующее методику измерения времени переключения емкости нелинейных сверхвысокочастотных конденсаторов на основе сегнетоэлектрических пленок и объемных керамик (варикон-дов) под действием импульсов управляющего электрического поля. Методику можно использовать для измерений быстродействия полупроводниковых варакторов, микроэлектромеханических элементов и остаточной поляризации конденсаторов на основе линейной керамики.
Ключевые слова: сверхвысокочастотный нелинейный конденсатор, полупроводниковый варактор, время переключения, быстродействие.
The method of measuring time of capacity tuning for nonlinear microwave capacitors based on ferroelectric films and variconds under the control of electric field pulses is considered. The method is also usable for measuring the speed of tuning of semiconductor varactors, microelectromechanical elements and residual polarization of capacitors based on linear ceramics.
Key words: microwave nonlinear capacitor, semiconductor varactor, switching time, speed of tuning.
Скорость переключения (быстродействие) нелинейных сверхвысокочастотных (СВЧ) элементов под воздействием управляющего напряжения — один из важнейших параметров, определяющих их использование в различных устройствах СВЧ-электроники. В настоящее время нелинейные СВЧ-элементы на основе сегнетоэлектрика (СЭ) в параэлект-рическом состоянии (вариконды) рассматриваются как перспективные, и измерение их параметров, в частности, быстродействия является актуальной задачей. Нелинейные СЭ-конденсаторы, представляющие собой многослойные пленочные структуры металл — СЭ — металл, по своим функциональным возможностям (изменение емкости под действием управляющего напряжения) аналогичны полупроводниковым варакторам на основе р — п-структур. В некоторых случаях применение СЭ-устройств целесообразнее, чем использование их полупроводниковых и ферритовых аналогов. По сравнению с полупроводниковыми СЭ-элементы легче изготовить, и они обладают большей электрической и радиационной стойкостью, а по сравнению с ферритовыми — экономичнее по энергопотреблению, имеют более высокое быстродействие и конструктивно проще.
Чтобы определить быстродействие нелинейного отклика элементов на СВЧ-сигнал, обычно используют методы,
Рис. 1. Схема устройства для исследования динамических параметров и С(и)-характеристик сегнетоэлектрических (СЭ) варакторов или полупроводниковых диодов; НО — направленный ответвитель
основанные на генерации гармоник под воздействием одно-или двухтонового сигнала или гармонического смешения двух СВЧ-сигналов [1]. Однако временные отклики на воздействия гармонического СВЧ-сигнала и сигнала управления (как правило, униполярных видеоимпульсов) могут иметь существенные различия, связанные с постоянной составляющей в спектре последнего. Данная работа связана с созданием методики и измерительного устройства для измерения и исследования времени переключения и поведения остаточной емкости СЭ-варикондов при импульсных воздействиях сигнала управления.
Существуют различные методы и соответствующее стандартное оборудование для измерения емкости и добротности конденсаторов с высокой точностью [2, 3]. Но, как правило, они полностью не обеспечивают измерение скорости переключения емкости под действием управляющего напряжения С(и(?)).Так, измерители ^С-параметров на частотах 1 — 100 МГц, построенные по принципу мостовых схем, позволяют определять длительность временного отклика изменения емкости в диапазоне 0,1 — 300 с и не пригодны для элементов с наносекундным быстродействием. Обычно измерение высокого быстродействия обеспечивают СВЧ резонансные методики. Пример такой методики представлен в [4], по которой в резонансную микрополосковую структуру ^ ~ 9 ГГц) включается измеряемый вариконд или варактор. На резонатор подается малый по амплитуде СВЧ пилот-сигнал, частота которого близка к резонансной частоте резонатора. При подаче на варактор импульса управления сдвиг амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) резонатора благодаря изменению емкости С приводит к изменению уровня пилот-сигнала на его выходе. При поступлении импульсного сигнала на выходе резонатора наблюдается ампли-тудно-модулированный сигнал, позволяющий определять быстродействие отклика СЭ-элемента наносекундного масштаба. Наряду с зависимостью С(и(?)) для СЭ-элементов так же, как и для полупроводниковых, существует зависимость СВЧ диэлектрических потерь 1д8(и(?)) от приложенного поля управления. Сложность разделения влияния изменений
реактивной и активной составляющих вариконда на ампли-тудно-модулированный СВЧ-сигнал, а также сравнительно малый динамический диапазон изменения глубины модуляции при невысокой добротности вариконда или варакто-ра не позволяют обеспечить требуемую в ряде случаев точность измерений.
Методика СВЧ-измерений, разработанная авторами, лишена указанных недостатков благодаря использованию фазового метода измерений. Методика позволяет проводить измерение изменения емкости с высокой точностью (относительная погрешность измерений менее 0,1 % для емкостей С = 0,5...20 пФ) во временном диапазоне импульсных воздействий 10-9 — 103 с; определять уровни нелинейного отклика и остаточной поляризации в линейных (не сегнето-электрических) пленочных и керамических конденсаторах при воздействии импульсного напряжения.
В основе методики лежит суммирование СВЧ-сигналов на выходе направленного ответвителя (НО), отраженных от двух его плеч. Пилот-сигнал СВЧ (рис. 1) подается на вход (плечо 1) 3 дБ, 90°-го НО и делится пополам между плечами 3 и 4. Плечо 3 нагружено на последовательный резонансный контур, емкость которого — измеряемый вариконд СсЭ или р—п-диод. В плече 4 нагрузка отсутствует (режим холостого хода). Резонансный контур является простейшим фазовращателем, который изменяет фазу Аф отраженного СВЧ-сигнала при приложении управляющего напряжения иупр на вариконд (фильтры развязки цепей СВЧ и управления не показаны). Сигналы от плеч 3 и 4 суммируются на выходе 2 направленного ответвителя. Таким образом, уровень этого сигнала непосредственно зависит от фазового сдвига Аф при определенном напряжения иупр. В отличие от амплитудной фазовая модуляция обеспечивает значительно больший динамический диапазон изменения модуля коэффициента 521 матрицы рассеяния, теоретически лежащий в интервале от - ~ (при Аф = 0) до 0 (при Аф = 180°). Изменение амплитуды результирующего сигнала фиксируется детектором и с помощью известных калибровочных зависимостей, приведенных ниже, позволяет однозначно определить зависимость СсЭ (иупр). Расчетные частотные зависимости модуля коэффициента S21 матрицы рассеяния для СВЧ пилот-сигнала иллюстрируют описанный выше принцип работы устройства (рис. 2).
Зависимости S21(f) устройства показаны для двух значений емкостей С0 и Си соответственно при нулевом и ненулевом значениях иупр и при различных углах диэлектрических потерь tg8 вариконда. Различие в значениях S21 для кривых, соответствующих значениям С0 и Си (АS21) на выбранной частоте пилот-сигнала (заштрихованная область на рис. 2), является основным параметром, характеризующим изменение емкости Ссэ- На первый взгляд, максимальная чувствительность измерений (максимальные значения АS21) достигается на частоте пилот-сигнала f ~ 1,4 ГГц, связанной с минимумом S21 для С0. Однако, как следует из рис. 2, на этой частоте наблюдается сильная зависимость АS21 от tg8. Так как СВЧ-потери сегнетоэлектрической пленки зависят от напряженности электрического поля, изменение S21 на данной частоте, обусловленное изменением добротности ва-риконда под напряжением, приведет к недопустимой погрешности определения изменения емкости.
В соответствии с рис. 2 сравнительно небольшой сдвиг рабочей частоты относительно частоты, связанной с минимумом зависимости ^21| (0, приведет к практически полно-
2,а I ГГц
Рис. 2. Расчетные амплитудно-частотные зависимости устройства для вариконда различной добротности Q = tg-1 5 при нулевом |321|(С0) и ненулевом |321|(Си) напряжении управления. Стрелка иллюстрирует переключение из одного состояния в другое
му подавлению влияния изменений tg 5 на результаты измерений С(и). Кроме того, существует необходимость измерений СЭ-образцов с различным значением начальных емкостей С0 = 0,5...20 пФ, соответствующих различным резонансным частотам, что также определяет выбор частоты пилот-сигнала. Таким образом, выбор частоты пилот-сигнала зависит от ряда изменяемых параметров. В реализованных устройствах рабочим является диапазон частот вблизи 1,3 ГГц, в котором амплитуда детектируемого сигнала не зависит от диэлектрических потерь варактора.
Для определения емкости исследуемого образца устройство калибруется по значениям нормированной емкости (рис. 3.). С этой целью снимается зависимость напряжения на детекторе идет от постоянного напряжения и=, прикладываемого к вариконду, с предварительно измеренной на низкой (1 МГц) частоте вольт-фарадной характеристи-
Рис. 3. Экспериментальные зависимости С/С0(и=) (а), идет(и=) (б) и детекторная характеристика С/С0 = f (идет) (е). Приведено выра жение для аппроксимации калибровочной зависимости С(идет), в которое и подставляется в вольтах
ствие. Кроме того, схематично изображены динамическая (под действием импульса) и статическая вольт-фа-радные характеристики образца. Использованы следующие обозначения: С0 — начальная емкость; Сдин, С= — емкости, измеренные соответственно при воздействии импульсов напряжения с амплитудой ит и постоянного
управляющего напряжения; С
ост дин>
остаточные ем-
кости, измеренные соответственно в паузе между импульсами и через 1 мин после снятия управляющего постоян-
ного напряжения; К
'дин
К =
С0 / С — динами-
î!s ?0 2,5U Um и
a мкс б
Рис. 4. Типичные осциллограммы импульсов управления и отклика СЭ-ва рактора не
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.