СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ, В ТОМ ЧИСЛЕ И СОПРОТИВЛЕНИЯ СТОК-ИСТОК ОТКРЫТОГО КАНАЛА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
METHOD TO MEASURE LOW RESISTANCES, INCLUDING DRAIN-SOURCE RESISTANCE OF FIELD TRANSISTOR OPEN CHANNEL

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению сопротивления открытого канала сток-исток полевого транзистора, однако, позволяет также измерять малые сопротивления шунтов, контактов переключателей и других тел, имеющих малое сопротивление.
В способах, реализуемых в портативных устройствах, обычно с автономными источниками питания, измерение сопротивления открытого канала сток-исток полевого транзистора подразумевает наличие напряжения смещения затвора полевого транзистора, связанное с его истоком. Поэтому в таких устройствах желательно применять способы измерения сопротивления сток-исток относительно общей шины соединенной с его истоком. Кроме того, полевой транзистор обычно не позволяет для измерения подавать на его сток напряжение противоположной полярности. Поскольку, падение напряжения на открытом канале чрезвычайно мало относительно напряжения питания схемы измерения полевого транзистора, то желательны меры предосторожности для сохранения работоспособности чувствительных измерительных приборов при отсутствии транзистора и при различных перекоммутациях режимов измерения. Способы измерения должны осуществлять непосредственную индикацию результатов измерения без дополнительных вычислений. С точки зрения надежности, экономичности потребления энергии источника питания, теплового режима желательно пропускание известного тока через сопротивление открытого канала в пределах не более 100-200 миллиампер (это эквивалентно току, протекающему через лампочку карманного фонаря).
Известен «Способ определения переходного сопротивления», SU 1370607 от 15.09.89, [1], по которому измеряют с помощью амперметра протекающий ток и вольтметра падение напряжения между сечениями контактирующих элементов переходного сопротивления контактов и по результатам с помощью формул определяют величину переходного сопротивления.
Данный способ измерения сопротивления непригоден из-за неявного отображения результатов измерения.
Известен способ, примененный в устройстве «Омметр», А.С. 159224 от 7.12.63 [2], по которому измеряемое сопротивление включают в цепь обратной связи операционного усилителя, пропускают на его вход заданный ток и на выходе измеряют напряжение, пропорциональное измеряемому сопротивлению.
Данный способ неприменим для измерения сопротивления открытого канала сток-исток полевого транзистора из-за отсутствия прямой связи с общей шиной и потери большой мощности в операционном усилителе при пропускании большого тока для измерения очень малых сопротивлений.
Известен и способ измерения сопротивления сток-исток полевых транзисторов (ГОСТ 20398.13-80), [3], по которому на затворе транзистора задают режим открытого канала сток-исток и при заданном через него токе фиксируют амперметром его значение и также вольтметром значение падение напряжения на нем, затем с помощью формул определяют значение измеряемого сопротивления.
Данный способ неприменим из-за неявного определения результатов измерения.
Также известен способ, реализуемый в устройстве «Устройство для измерения активных сопротивлений замкнутой электрической цепи», А.С. 739435 от 05.06.80 [4], по которому осуществляют искусственный разрыв от электрической цепи измеряемого сопротивления, по которому протекает ток от источника тока, фиксируют значение падения напряжения и с помощью магазина сопротивлений, включенном в нулевом состоянии последовательно между источником тока и с измеряемым сопротивлением, регулировкой магазина сопротивлений добиваются удвоения зафиксированного значения напряжения, значение сопротивления магазина соответствует значению измеряемого сопротивления. Данный способ по достигаемому результату и решаемой задаче наиболее близок к заявляемому изобретению и, поэтому, взят за прототип.
Недостатками приведенного способа являются при измерении малых сопротивлений низкая точность в процессе удвоения напряжения при протекании большого задающего тока и также проблематичное создание магазина сопротивлений с очень малыми сопротивлениями, при переключении которых сопротивление переключающих контактов становится больше измеряемого сопротивления.
Предлагаемый способ измерения сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора позволяет избавиться от упомянутых недостатков в приведенных примерах.
Технический результат - повышение точности измерения при приемлемом энергопотреблении и повышении надежности элементов измерения и измерителя в портативном исполнении достигается тем, что в «Способе измерения малых сопротивлений, в том числе и сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора», включающего пропускание через него известного тока с последующей индикацией без масштабирования или с масштабированием падения напряжения на нем, отличающийся тем, что вводят защиту входной цепи измерения от перегрузок при переключениях диапазонов измерения или отсутствии измеряемого объекта и в пределах заданного диапазона измерений выделенное падение напряжения с помощью подбора, вручную или автоматически, известных сопротивлений, магазина сопротивлений или токового цифро-аналогового преобразователя, преобразуют в ток заданной величины, кратный известному току, затем или непосредственно считывают показания с магазина сопротивлений или через аналогово-цифровое преобразование с заданным током от опорного напряжения индицируют показания величин измерения, кратных величине измеряемого сопротивления.
Реализация способа измерения малых сопротивлений, в том числе и сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора, отражена на чертежах схемами, где на фиг.1 показана схема с ручным управлением измерения, а на фиг.2 - схема с автоматическим управлением измерения.
Схема измерения малых сопротивлений, в том числе и сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора, с ручным управлением измерения включает: источник 6 напряжения, соединенный с потенциометром 5, подвижный контакт которого для установки в измеряемом полевом транзисторе 2 режима открытого канала сток-исток соединен с его затвором. Источник 7 известного тока одним выводом, соединенным с источником напряжения 6, а другим - со стоком исследуемого полевого транзистора 2, с выводом блока 4 защиты от перегрузки и с первым выводом декадного измерительного магазина сопротивлений 1. Второй его вывод соединен с выводом микроамперметра 3. Вторые выводы микроамперметра 3 и блока 4 защиты от перегрузки соединены с общей шиной 14 и с истоком исследуемого полевого транзистора 2.
Схема измерения малых сопротивлений, в том числе и сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора, с автоматическим управлением измерения на фиг.2 теперь в условных блоках измерительного магазина сопротивлений 1 и микроамперметра 3 дополнительно включают: в условном блоке магазина сопротивлений 1 масштабный усилитель 8, первый вход которого соединен с измеряемым сопротивлением сток-исток полевого транзистора 2, а второй - с общей шиной 14 и выход соединен с с аналоговым входом цифроаналогового преобразователя (ЦАПа) 10. ЦАП 10 содержит резисторную матрицу 9 типа «R-2R», имеющую аналоговый вход ЦАПа 10 и выходы, первый в исходном состоянии объединенных первых выводов ключей в замкнутом состоянии, второй - объединенных вторых выводов ключей в разомкнутом состоянии, входы каждого из этих ключей соединены с соответствующим сопротивлением «2R» резисторной матрицы 9, и третий выход соединен с выходным согласующим сопротивлением «2R» резисторной матрицы 9. В условный блок 1 входит также цифровой индикатор 11, управляемый по шинам управления от условного блока 3. Условный блок 3 включает блок управления 12, шины управления которого соединены со входами управления блока цифровых индикаторов 11, блока 7 источника известного тока, блока 8 масштабного усиления и ЦАПа 10. Вход блока управления 12 соединен с выходом компаратора 15, первый вход которого соединен с первым выводом источника 13 заданного тока и объединенными вторым и третьим выходами резисторной матрицы 9 ЦАПа 10 условного блока 1, а второй вход соединен с первым выходом резисторной матрицы 9, вторым выводом источника 13 заданного тока и общей шиной 14.
Способ измерения сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора при ручном управлении измерениями, показанными на фиг.1, осуществляют следующим образом. Магазин сопротивлений 1 устанавливают на максимум имеющихся декад. При отсутствии полевого транзистора 2 или закрытом его состоянии микроамперметр 3 защищает от предельной перегрузки блок 4 защиты от перегрузки. Блок 4 защиты от перегрузки в рабочем диапазоне измерения не должен оказывать влияния на результаты измерения и в то же время производить ограничение напряжения, не превышающее предельного защищаемой цепи измерения. Блок 4 может быть выполнен на диоде с малым прямым напряжением отсечки, например, диоде с барьером Шотки, или реализован по схеме А.С. 456214 «Устройство для защиты электроизмерительных приборов постоянного тока от перегрузок» [5]. Потенциометром 5, запитываемого от источника 6 напряжения, устанавливают через источник 7 известного тока требуемый режим открытого канала полевого транзистора 2. Установку этого режима можно контролировать тем же микроамперметром 3 (элементы коммутации и дополнительное сопротивление для этого на фиг.1 не показаны). Далее регулировкой значений сопротивлений магазина 1 устанавливают значение показаний микроамперметра 3 на максимум его шкалы. Значение показаний магазина сопротивлений 1 плюс значение внутреннего сопротивления микроамперметра 3 будут кратно соответствовать величине измеряемого сопротивления сток-исток полевого транзистора 2.
c
0
Пусть ток стока «I» кратен току «i» микроамперметра 3 в отношении «n» и равен
,
c
а падение напряжения на стоке «U» транзистора 2 соответственно равно
,
x
где «R» - сопротивление канала сток-исток, и падение напряжения
c
«U» будет равно падению напряжения на последовательно соединенных сопротивлении магазина 1, «r», и внутреннем сопротивлении
i
«R» микроампеометра 3 и из выражений (1) и (2)
Исходя из этого, суммарные показания магазина 1 и внутреннего сопротивления микроамперметра 3 будут соответствовать измеряемому сопротивлению в соотношении «n»
0
c
-5
-5
4
Пусть i=10А=10 мкА, I=0,1 А, тогда n=0,1/10=10
i
Если значение сопротивлений магазина 1 равны нулю и требуемое внутреннее сопротивление микроамперметра 3 R=100 Ом, то минимальная граница измерения
x min
4
-2
R=100/10=10=0,01 Ом.
Если максимальную величину магазина 1 ограничить величиной 900 Ом, то
x max
4
R=(100+900)/10=0,1 Ом.
c
Регулировку диапазонов измерения теперь можно осуществлять декадным уменьшением известного тока «I», например, если
c
-5
3
I=0,01А=10 мА, то n=0,01/10=10и
x min
3
R=100/10=0,1 Ом.
-2
-1
*
*
Т.е границы первого и второго диапазонов совпали. Такой расклад дает возможность градуировать магазин сопротивлений 1 от множителя 10 x до 10 х; х; и т.д.
x min
x
При измерении сопротивлений ниже минимальной границы R=0,01 Ом показания магазина равны нулю и не удается выделить максимальный ток в микроамперметре 3, который переходит в режим измерения напряжения. Измеряемое напряжение в этом случае оценивают как отношение его показаний к минимальному значению сопротивления «R» данного диапазона измерений.
Дальнейшее увеличение чувствительности измерения без увеличения известного тока возможно только или при увеличении чувствительности микроамперметра 3 или уменьшением его внутреннего сопротивления.
c
c
0
э min
э
Способ измерения сопротивления сток-исток открытого канала полевого транзистора при автоматическом управлении измерением, показанным на фиг.2, осуществляют следующим образом. При отсутствии полевого транзистора 2 или его закрытом состоянии от предельного тока источника 7 известного тока входную цепь блока 8 согласования и масштабирования усиления защищает блок 4 защиты от перегрузки. Потенциометром 5 устанавливают на затворе полевого транзистора 2 требуемый режим измерения открытого состояния канала сток-исток, на котором выделяется при протекании известного тока падение напряжения «U». Усиленное в «К» раз масштабным усилителем 8 напряжение «К*U» масштабного усилителя 8 поступает на вход резисторной матрицы 9 цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10. ЦАП 10 в данном случае выполняет совместно с масштабным усилителем 8 и с блоком цифровых индикаторов 11 автоматически управляемым блоком 12 управления цифроаналоговым преобразованием (ЦАП) роль магазина сопротивлений 1. Это может быть, например, интегральная микросхема К572ПА1, в которой применяется последовательный 10-разрядный делитель 9 напряжения «R-2R» по двоичному закону. Токи ветвей резисторной матрицы 9 поступают через ключевые КМОП-транзисторы на аналоговые первый и второй выходы, в зависимости от значений кода на входах усилителей-инверторов для управления токовыми ключами. В данном случае для получения эффекта регулируемого магазина сопротивлений 1 первый выход матрицы 9 ЦАПа 10 соединяют с общей шиной 14, второй и третий объединяют, ([6], стр.77), и соединяют с источником 13 заданного эталонного тока «i». При всех включенных ключах, нулевой кодовой комбинации на цифровых входах ЦАПа 10, минимальное эквивалентное сопротивление «R» резисторной матрицы равно 10 кОм ([6], стр.50). Это сопротивление относительно первого применения способа является как бы внутренним сопротивлением измерительного прибора 3, т.е. дальнейшее в сторону уменьшения регулирование эквивалентного сопротивления «R» резисторной матрицы 9 - невозможно.
э
0
Управляемое кодами блока 12 управления эквивалентное сопротивление «R» резисторной матрицы 9 ЦАПа 10 совместно с источником 13 заданного эталонного тока «i» образуют делитель напряжения, который через блок 12 управления уравнивается компаратором 15 относительно общей шины 14. Для защиты выводов резисторной матрицы 9 от случайного попадания отрицательного напряжения их подключают через ограничители на диодах Шотки, например КД514А ([6], стр.55), (на фиг.2 не показаны).
c
0
x
э
c
При увеличении напряжения «К*U» на входе резисторной матрицы 9 ЦАПа 10 при постоянном заданном эталонном источнике 13 тока «i» автоматически последовательным приближением пропорционально измеряемому сопротивлению «R» увеличивается эквивалентное сопротивление «R» резисторной матрицы 9 ЦАПа 10, что через блок 12 управления отражается на цифровых индикаторах 11 в относительных единицах к сопротивлению сток-исток измеряемого полевого транзистора 2. Блок 12 управления может также автоматически обеспечивать требуемое переключение масштаба «К» масштабного усилителя 8 или соответствующее переключение величины источника 7 известного тока «I».
c
m
Как и в первом примере, напряжение «U» на стоке транзистора 2 соответствует выражению (2). На выходе масштабного усилителя 8 напряжение «U» увеличивается в «К» раз и из выражений (1) и (2)
В то же время напряжение на входе резисторной матрицы 9, образованное управляющим воздействием блока 12 управления уравнивающего ток источника 13 тока и ток на втором выходе резисторной матрицы 9 относительно общей шины 14, равно
,
0
mx
э mn
mx
где задающий ток «i» определяется как отношение максимального напряжения «U» на выходе масштабного усилителя 8 к произведению минимального значения «R» эквивалентного сопротивления резисторной матрицы 9 и максимального значения «N» кодовой комбинации ЦАПа 10,
,
а величина «h» кванта сопротивления резисторной матрицы 9 равна величине
э mn
«R» - минимальному значению эквивалентного сопротивления резисторной матрицы 9 ЦАПа 10,
.
x
Подставив значения выражений (7) и (8) в выражения (5) и (6) и приравняв их, получаем значение искомого сопротивления «R» через показания цифрового индикатора 11 аналогово-цифрового преобразования, реализованного в блоках 12-15,
.
c
mx
mx
э mn
x
i
mx
3
4
Пусть I=0,1 А; U=10 В; N=10; R=10Ом; R=0,01 Ом; N=N,
Тогда из выражений (7) и (1)
0
4
3
-6
i=10/(10*10)=10 А,
c
0
-6
5
n=I/i=0.1/10=10
и коэффициент усиления «К» масштабного усилителя 8 из выражения (9), соответственно, будет равен
i
э mn
mx
x
4
5
-2
К=(N*R)/(N*R*n)=1*10/10*10)=10.
i
mx
А если взять отношение N/N=0,1, то из выражения (9)
x mn
4
5
-3
R=0,1*10/(10*10)=10=0,001 Ом.
э mn
э mn
mx
mx
mx
3
3
При нулевой кодовой комбинации и нулевом напряжении на входе резисторной матрицы 9 на ее втором выходе присутствует минимальное эквивалентное сопротивление «R», в данном случае оно равно R=10 кОм. При эталонном токе 1 мкА источника тока 13 падение напряжения на нем равно - 10 мВ, одному кванту напряжения при N=10 и U=10 В. Чтобы сработал компаратор напряжения 15, необходимо чтобы на входе матрицы 9 изменилось напряжение на 2 кванта и это приводит к соответствующей погрешности измерения. И если эта погрешность относительно N=10 не удовлетворяет потребителя, то в этом случае необходимо искусственно ввести постоянную составляющую на входе матрицы 9, равную одному кванту. Такую операцию можно произвести или при постоянном множителе «К» в масштабном усилителе 8, или дополнительно ввести суммирующий усилитель между выходом масштабного усилителя 8 и входом резисторной матрицы 9 ЦАПа 10.
Итак, приведенный способ измерения в ручном или автоматическом режиме измерений позволяет осуществить с достаточной точностью и надежностью измерение сопротивлений открытых каналов полевых транзисторов практически любых видов полевых транзисторов как лабораторных, так и в домашних условиях.
Литература
1. SU 1370607 от 15.09.89 «Способ определения переходного сопротивления»
2. А.С. 159224 от 7.12.63 «Омметр».
3. ГОСТ 20398.13-80* (СТ СЭВ 3413-81) «Транзисторы полевые, метод измерения сопротивления сток-исток».
4. А.С. 739435 от 05.06.80 (прототип) «Устройство для измерения активных сопротивлений замкнутой электрической цепи».
5. А.С.456214 от 05.01.75 «Устройство для защиты электроизмерительных приборов постоянного тока от перегрузки».
6. Б.Г.Федорков, В.А.Телец «Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение». - М.: Энергоатомиздат, 1990.
7. А.С. 119932 от 20.11.57 «Устройство для измерения напряжения постоянного тока с цифровым отсчетом».
8. RU 2125270 от 20.01.1999 «Омметр Маслаева».
9. Радио N 10, 1996, стр.52, «Омметр с линейной шкалой».
10. RU 2099722 от 20.12.1997 «Измеритель малых сопротивлений».