CC BY
78
где Рх - поляризация насыщения, Рг - остаточная поляризация, Ес - коэрцитивное поле, 0<^< 1 .
йР (Е)
При такой аппроксимации производная
dE
не
зависит от амплитуды переменного поля. При q=1 выражения (4) и (5) переходят в формулы для насыщенной петли гистерезиса. Значения максимальной напряженности электрического поля Ешах и параметра q связаны соотношением:
2Pr(1 - q) = -Psth
2 g
согласно которому
IgN !SN21Q IgNз IgX
Рисунок 4 - Кусочно-линейная аппроксимация
q =
P 2 P
th\ Emax E 2 g
-Pth
th
2 g
2 g
+1 .(6)
зависимости
Ec (lg N ) для
тонких пленок
PbTiO,
Параметр g определяется по формуле:
при t = 470 C , E = 100кВ/см
Моделирование петель гистерезиса осуществлено с использованием значений характерных параметров: остаточной поляризованностиРгМ) , коэрцитивного поля Ес(^М) , соответствующих одинаковым значениям Ы, Рх . Для восходящей ветви петли гистерезиса использовано следующее выражение [10]:
g = Ec
ln
( P ) 1 + ^ Ps
1 - P
V
P
s A
pv(E)=p/h|E-E4+p (1 - q).
(4)
Нисходящая ветвь петли гистерезиса формализуется согласно выражению:
'- Е - Е,
Заключение
Рассмотренные способы моделирования зависимостей остаточной поляризованности и коэрцитивного поля от количества циклов переключения могут быть использованы при проектировании элементов функциональной электроники на основе активных диэлектриков, при оценивании рисков надежности сложных технических систем [11], расчете надежности электронной компонентой базы [12].
Pn( E) = - Psth
2 g
- P (1 - q )
(5)
ЛИТЕРАТУРА
1. Сидоркин, А.С. Усталость тонких пленок титаната свинца и цирконата - титаната свинца / А.С. Сидоркин, Л.П.Нестеренко, А.Л.Смирнов, Г.Л.Смирнов, С.В.Рябцев, А.А.Сидоркин // ФТТ, том 50, вып.11, 2008. с.2066 - 2072.
2. В.В.Леманов. Поле деполяризации и усталость сегнетоэлектрических тонких пленок, ФТТ, 38, 1998, с.1282 - 2492.
3. Печерская Е.А. Контроль временной нестабильности диэлектрических параметров сегнетоэлектри-ков / Печерская Е.А., Соловьёв В.А., Метальников А.М., Вареник Ю.А., Гладков И.М., Рябов Д.В. // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2013. № 2 (100). С. 84-88.
4. Юрков Н.К. Нанотехнология в создании новой техники /Гусев А.М., Романчева Н.И., Юрков Н.К., Романчев И.В., Баннов В.Я.// Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2009. Т. 2. С. 161-163.
5. Печерская Е.А. Метрологический анализ установки для измерений электрофизических свойств сегнетоэлектрических образцов с линейными размерами микрометрового диапазона / Печерская Е.А. //Нано- и микросистемная техника. 2007. № 12. С. 43-47.
6. Печерская Е.А. Автоматизированные измерения параметров активных диэлектриков / Печерская Е.А., Метальников А.М., Карпанин О.В., Гладков И.М. //Труды международного симпозиума «Надежность и качество». - 2013. Т. 2. С. 95-97.
7. Pecherskaya E.A. The use of the sawyer-tower method and its modifications to measure the electrical parameters of ferroelectric materials /Pecherskaya E.A. // Measurement Techniques.
2007. Т. 50. № 10. С. 1101-1107.
8. Печерская, Е. А. Методы и средства исследования активных диэлектриков для наноиндустрии: системный подход: монография / Е. А. Печерская. - Пенза: Инф.-изд. центр Пенз. гос. ун - та,
2008. - 130 с.
9. Печерская Е.А. Автоматизация измерений и контроля параметров активных диэлектриков и изделий на их основе / Печерская Р.М., Печерская Е.А., Метальников А.М., Гладков И.М., Рябов Д.В. // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 9. С. 21-26.
10. Берман Л.С. Моделирование вольт-фарадных характеристик сегнетоэлектрика// ФТП, том 39, вып.12 (2005). - С. 1436-1439.
11. Юрков Н.К Риски отказов сложных технических систем /Юрков Н.К. // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 1 (5). С. 18-24.
12. Юрков Н.К. Методы оценки технологичности конструкции РЭС /Андреев П.Г., Юрков Н.К., Баннов В.Я. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 129-131.
УДК 621.317.3 Сапунов Е. В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТЕКТОРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
При построении аппаратно-программного комплекса (АПК) для измерения параметров операционных усилителей (ОУ) необходимо в состав аппаратной части АПК включить детекторы амплитуды и
фазы для измерения частоты единичного усиления и запаса устойчивости по фазе ОУ.
Детектирование амплитуды необходимо при измерении частоты единичного усиления ОУ, изме-
ряемой в соответствии с ГОСТ 23089.13-86 [1] . Методика измерения [2] частоты единичного усиления предусматривает сравнение амплитуд входного и выходного сигналов исследуемого ОУ при варьировании частоты тестового сигнала. Детектирование фазы необходимо при измерении запаса устойчивости по фазе на частоте единичного усиления ОУ, измеряемого в соответствии с ГОСТ 23089.16-90 [3]. Методика измерения запаса устойчивости по фазе рассмотрена в [4, 5].
Амплитудный и фазовый детекторы измерительных сигналов в составе АПК для измерения параметров ОУ предложено построить на основе интегральной микросхемы АБ8302 [6], позволяющей одновременно решить две задачи: измерения коэффициента усиления ОУ и разности фаз между входным и выходным напряжениями ОУ. Для исследования характеристик амплитудного и фазового детекторов разработаны стенд и программа эксперимента.
Сравнение параметров многоканаль
Чтобы оценить характеристики детекторов, стенд для исследования детекторов должен включать в себя источник тестовых гармонических сигналов и измеритель выходных напряжений детекторов. Источник тестовых гармонических сигналов должен иметь два канала и возможность независимого программного управления амплитудой и фазой генерируемых сигналов.
В качестве программно-управляемого генератора автором предлагается выбрать генератор, основанный на DDS-синтезаторе. В основном DDS-синтезаторы строятся на основе ПЛИС, но компания Analog Devices обладает линейкой DDS-синтезаторов, выполненных в виде интегральных микросхем, не требующих большого количества внешних компонентов и управляемых по стандартным интерфейсам связи. Сравнительный анализ микросхем DDS-синтезаторов приведен в таблице 1 [7]. Представлены только такие микросхемы, которые имеют не менее двух каналов. ных DDS-синтезаторов Таблица 1
Наименование AD9106 AD9854 AD9958 AD9959
Количество каналов 4 2 2 4
Независимое управление фазами и амплитудами сигналов каждого канала да нет да да
Разрядность ЦАП, бит 12 12 10 10
Шаг перестройки частоты, Гц 10,8 10-6 0,12 0,12
Разрешение перестройки по фазе, бит 16 14 14 14
Частота тактового сигнала, МГц 180 300 500 500
При выборе микросхемы БББ-синтезатора для построения стенда следует учесть требование возможности независимого управления фазой и амплитудой сигналов. Из перечисленных микросхем такой функции не имеет БББ-синтезатор АБ9854. Микросхема АБ910 6 имеет самый большой шаг перестройки частоты - 10,8 Гц и имеет самое низкое значение частоты тактового сигнала - 180 МГц.
При построении испытательного стенда для исследования амплитудного и фазового детекторов наиболее целесообразно использовать микросхемы БББ-синтезаторов AD9958 или АБ9959. Учитывая перспективы дальнейшего расширения функциональных возможностей стенда, автором выбрана четы-рехканальная микросхема АБ9959.
В качестве измерителя выходных напряжений детекторов используется цифровой мультиметр У0К09А11А 7555. Для тестирования использовались
два выхода генератора. При исследовании характеристик детекторов для изменения отношения амплитуд и разности фаз между генерируемыми сигналами использовалась функция независимого управления амплитудой и фазой сигналов для каждого из его выходов БББ-синтезатора АБ9959. При измерении коэффициента усиления на каналы А и Б исследуемого детектора подавались сигналы с разной амплитудой и с помощью мультиметра измерялось выходное напряжение иампл микросхемы AD8302. При измерении разности фаз на каналы А и Б подавались сигналы с разной фазой и с помощью мультиметра измерялось выходное напряжение Ифаз микросхемы AD8302. Структурная схема стенда для исследования характеристик амплитудного и фазового детекторов на основе AD8302 показана на рисунке 1.
Генератор на основе AD9959
j Вх А иампл
Исследуемый детектор AD8302 Коммутатор Цифровой мультиметр 7555
2 Вх Б фаз
Рисунок 1 - Структурная схема стенда для исследования характеристик амплитудного и фазового
детекторов
Программа исследования характеристик амплитудного и фазового детекторов включает в себя следующие этапы:
1. Определение зависимости выходного напряжения от частоты при детектировании равных по амплитуде входных сигналов.
Для этого на входы детектора подаются сигналы равной амплитуды, изменяется их частота и при изменении частоты фиксируется значение выходного напряжения детектора.
2. Определение зависимости выходного напряжения от частоты при детектировании сдвинутых по фазе на 90 градусов входных сигналов.
Для этого на входы детектора подаются сигналы равной фазы, изменяется их частота и при изменении частоты фиксируется значение выходного напряжения детектора.
3. Определение зависимости наклона передаточной характеристики при детектировании амплитуды на разных частотах. Для этого на входы детектора подаются сигналы с изменяющимся соотношением между их амплитудами, при изменении соотношения амплитуд фиксируется значение выходного напряжения детектора, измерение повторяется для разных значений частоты сигнала.
4. Снять зависимость наклона передаточной характеристики при детектировании фазы на раз-
ных частотах. Для этого на входы детектора подаются сигналы с изменяющейся разносностью фаз между их фазами, при изменении разности фаз фиксируется значение выходного напряжения детектора, измерение повторяется для разных значений частоты сигнала.
Определение зависимости выходного напряжения, находящегося на середине передаточной характеристики очень важно, по крайней мере, для амплитудного детектирования, потому что частота единичного усиления определяется при равенстве амплитуд на входах детектора. В идеальном случае все характеристики имеют фиксированное значение и не зависят от частоты.
Идеализированные передаточные характеристики показаны на рис. 2. [6]
На рисунках 3 и 4 показаны полученные зависимости выходного напряжения от частоты при детектировании равных по амплитуде входных сигналов и наклона передаточной характеристики от частоты при детектировании амплитуды.
На рисунках 5 и 6 показаны полученные зависимости выходного напряжения от частоты при детектировании сдвинутых по фазе на 90 градусов входных сигналов и наклона передаточной характеристики от частоты при детектировании фазы.
1,8В
иампл 0.9В
0В
I ОмВ/градус \-1 ОмВ/градус
-30 0 +30
Отношение амлитуд, дБ
-180 -90 0 90 180 Разность фаз, градусы
Рисунок 2 - Идеализированные передаточные характеристики АБ8302 для измерения коэффициента
усиления и разности фаз
1,2
иампл,В 0,9
0,7
скомпенсировать эту нелинейность при пересчете значений коэффициента усиления и фазы из полученных выходных напряжений детекторов. Данный модуль может быть использован в аппаратно-программном комплексе для исследования ОУ без ухудшения динамических характеристик комплекса [8].
0,1 1 10 50
МГц
Рисунок 3 - Полученная зависимость выходного напряжения от частоты при детектировании равных по амплитуде входных сигналов
1,2
ифаз, В 0,9
0,7
40
w
-Ч
30
20
0,1
I
10
50
{, МГц
Рисунок 5 - Полученная зависимость выходного напряжения от частоты при детектировании сдвинутых по фазе на 90 градусов входных сигналов
0,1
10
50
12
5 11
1; МГц
Рисунок 4 - Полученная зависимость наклона передаточной характеристики от частоты при детектировании амплитуды
Как видно из рисунков, фактические характеристики зависят от частоты и несколько отличаются от идеализированных. Однако характеристики на значительном интервале частот линейны. Помимо этого, имея измеренные характеристики можно
10
0,1 1 К) 50
£ МГц
Рисунок 6 - Полученная зависимость наклона передаточной характеристики от частоты при детектировании фазы
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 23089.13-86. Микросхемы интегральные. Методы измерения частоты среза и частоты единичного усиления операционных усилителей.
2. Методика измерения частоты единичного усиления операционных усилителей / Е. В. Сапунов, А. В. Светлов, М. Ю. Паршуков, В. В. Комаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2. - С. 41 - 51.
3. ГОСТ 23089.16-90. Микросхемы интегральные. Метод измерения запаса устойчивости по фазе операционных усилителей.
4. Измерение динамических параметров операционных усилителей с применением цифровых формирователей сигналов / Е. В. Сапунов, А. В. Светлов, М. Ю. Паршуков, В. В. Комаров // Надежность и качество - 2013: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Том 2 - С. 62 - 65.
5. Измерители динамических параметров операционных усилителей / Е. В. Сапунов, А. В. Светлов, М. Ю. Паршуков, В. В. Комаров // Надежность и качество - 2014: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - Том 2. - С. 100 - 102.
6. AD83 02. LF-2.7 GHz RF/IF Gain and Phase Detector. - Analog Devices, Inc., 2002. URL: http://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/data-sheets/AD83 02.pdf.
7. Direct Digital Synthesis & Modulators. - Analog Devices, Inc., 2015. URL: http://www.analog.com/en/products/rf-microwave/direct-digital-synthesis-modulators.html.
8. Белов А.Г. Обзор современных датчиков утечки воды / А.Г. Белов, Н.В. Горячев, В.А. Трусов, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 34-36.
9. Иосифов, В. П. Определение полных динамических характеристик средств измерений с применением рекуррентных процедур / В. П. Иосифов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 1. - С. 126-131.
