Анализатор предназначен для проведения исследований нелинейности обратносмещенных p-n переходов высоковольтных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т.д).

Анализатор представляет собой высоковольтный стабилизатор напряжения, обеспечивает задание и стабилизацию напряжения в диапазоне 0 … 2000 В при токе в нагрузке в диапазоне 0…50 мА. Сигнал тока, прошедшего через обратносмещенный p-n переход, поступает на блок анализа нелинейности тока.

В состав анализатора входит:

• Высоковольтный программируемый источник питания (DAC)
• высоковольтный операционный усилитель (HVA)
• преобразователь ток-напряжение (I-U)
• двух блоков дифференцирования сигнала Diff
• блока аналого-цифрового преобразования (ADC)
• блок управления анализатором

Блок-схема анализатора (без блока управления) представлена на следующем рисунке.

Высоковольтный программируемый источник питания (DAC)

предназначен для формирования высоковольтного питающего напряжения в диапазоне 0…2500 Вольт при максимальном токе в нагрузке до 50 мА.

Задание напряжения Umax осуществляется при помощи 12-разрядного ЦАП. На его выходе формируется ток, используемый как опорный сигнал для преобразователя ток-напряжение.

Запись значения осуществляется по командам блока управления через систему промежуточных регистров, что позволяет непосредственно изменить по 8-битной шине данных все 12-разрядов ЦАП одновременно.
Такая организация препятсятвует образованию резких скачков (или провалов) при формировании выходного напряжения.

Непосредственное управление величиной выходного напряжения позволяет программно задавать не только статическую величину напряжения стабилизации, но и формироваль изменяющееся по произвольному (заданному пользователем) закону напряжение, приложенное к испытуемый полупроводниковому переходу.

Уровень выходного напряжения устанавливается путем записи 12-разрядного кода во внутренние регистры задающего ЦАП. На выходе ЦАП устанавливается напряжение, которое поступает на усилитель сигнала ошибки рассогласования.
На второй вход усилителя сигнала ошибки поступает сигнал, проворциональный величине напряжения на выходе высоковольтного источника питания. Этот сигнал снимается с высоковольтного резистивного делителя напряжения, буферизированного посторителем на ОУ, так, что при изменении выходного напряжения источника от 0 до 2500 Вольт, сигнал, снимаемый с делителя, изменяется в диапазоне от 0 до 5 Вольт.
Усилитель сигнала ошибки выделяет дифференциальный сигнал рассогласования и формирует сигнал управления для управляемого генератора с тем, чтобы свести к минимуму величину сигнала рассогласования. Усилитель собран по схеме дифференциального усилителя с разорванной петлей ООС по постоянному току, чем обеспечивается максимальное усиление сигнала ошибки рассогласования. Частотная коррекция времени реакции осуществляется емкостью в цепи ООС.

Высоковольтный источник питания обеспечивает защиту от короткого замыкания в нагрузке, высокую степень фильтрации выходного напряжения от пульсаций питающей сети. Однако, для обеспечения стабилизации тока в нагрузке его быстродействия оказывается недостаточно. Кроме того, необходимость в емкостном фильтре на его выходе может привести к рассеянию недопустимо большой мощности в испытуемом высоковольтном переходе при его пробое. Поэтому - основная задача высоковольтного источника питания - сформировать высоковольтное питание Umax для быстродействующего высоковольтного операционного усилителя на уровне, не превышающем тот, до которого имеет смысл проводить исследования для данного типа полупроводникового прибора.

Высоковольтный операционный усилитель (HVA)

предназаначен для формирования на испытуемом полупроводниковом pn-переходе испытательного напряжения величина которого величиной сигнала рассоглассования Uerr, сформированного на выходе преобразователя ток-напряжение.

Реально, высоковольтный операционный усилитель имеет два различных входа - для стационарного (низкочастотного) и динамического (высокочастотного) канала регулирования, поступающего от преобразователя ток-напряжение. Более того, высокочастотный канал регулирования имеет перестраиваемую полосу пропускания, что позволяет игнорировать изменения тока в нагрузке, длительность которых выше частоты среза высокочастотного канала.
Эта особенность позволяет использовать данный прибор для исследования высокочастотных шумов полупроводниковых переходов ( к примеру - микроплазменного пробоя перехода).
Оставаясь стабилизатором тока ( в данном случае - среднего тока через переход), блок позволяет наблюдать и проводить измерения с быстроизменяющимися скачками проводимости, не опасаясь неконтролируемого выхода исследуемого прибора за допустимые пределы на вольт-амперной характеристике.

Преобразователь ток-напряжение

обеспечивает считывание тока, протекающего в нагрузке, сравнение его величины с предустановленным значением опорного тока Iset и формирование сигнала рассоглассования Uerr для высоковольтного операционного усилителя HVA в режиме стабилизатора тока или сигнал, пропорциональный величине входного тока Iin. Преобразователь собран на базе высокоточного операционного усилителя c МДМ-каналом и высокочастотным параллельным каналом. МДМ-канал обеспечивает высокую статическую точность считывания тока, сверх-малый временной и температурный дрейф параметров, а параллельный высокочастотный канал обеспечивает высокие динамические характеристики преобразователя в условиях резких изменений параметров нагрузки.

Блок аналого-цифрового преобразования (ADC)

обеспечивает параллельное измерение нескольких аналоговых сигналов для последующей цифровой обработки полученных результатов.

Блок аналого-цифрового преобразования и высоковольтный программируемый источник питания (DAC) имеет совмещенный программируемый источник опорного напряжения. Использование одного источника опорного напряжения для всего прибора позволяет минимизировать ошибки, связанные с температурным и временным дрейфом параметров опорного напряжения.

Блок двойного дифференцирования

позволяет выделять сигнал нелинейности из входного сигнала тока для последующей оцифровки блоком аналого-цифрового преобразования и последующей цифровой обработки результатов. Описание блока двойного дифференцирования вынесено в отдельное рассмотрение.

В ходе эксплуатации анализатор показал высокие эксплуатационные характеристики, позволил выявить и отсеивать еще на этапе входного контроля не только потенциально-ненадежные высоковольтные полупроводниковые приборы, но и потенциально-ненадежные резисторы, имеющие аномально большие уровни шумов из-за ненадежного крепления выводов к токопроводящим элементам на их корпусе.

Область работы данной установки не ограничивается только анализом нелинейности высоковольтных обратно-смещенных p-n переходов. Изменение выходных параметров задающих источников питания и диапазона входных токов преобразователя ток-напряжение, использование вместо высоковольтного стабилизатора напряжения стабилизатора тока и анализ напряжения на исследуемом объекте, позволяет строить на аналогичном принципе анализаторы нелинейности с параметрами, адаптироваными для реальных параметров объекта анализа.
Программное управление параметрами установки позволяет легко адаптировать установку для работы в широком диапазоне условий.