FR2459483A1

FR2459483A1 - Varicap diode quality measurement - has coaxial line excited via antenna connected to HF source for application of overvoltage

Info

Publication number: FR2459483A1
Application number: FR7915451A
Authority: FR
Inventors: Gerard Buisson; Michel Kosa
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1979-06-15
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1981-01-09

Abstract

The varicap diode is measured to select suitable components and to reject components which will ultimately be unsatisfactory. This is performed by the application of an over voltage when excited at a very high freouency. The varicap diode (1) is connected to terminals (A,B) on a coaxial line comprising a cylinder (10) and inner conductor (11). The remote end of the line is closed by an adjustable capacitor (12) and is coupled to a variable d.c. voltage (13) via a protective inductor (14). The line is excited via an antenna (15) connected to a high frequency source (16). A receiving antenna (17) detects the field inside the line and applies the value to a memory circuit (19) via an amplifier. A circuit (20) compares the value with a reference to select the diode for a particular category.

Description

La présente invention concerne un procédé de mesure du coefficient de qualité d'un élément capacitif dont la capacité dépend d'une tension continue appliquée. La présente invention concerne particulièrement un procédé de mesure du coefficient de qualité d'une diode du type varicap. The present invention relates to a method for measuring the quality coefficient of a capacitive element whose capacity depends on an applied DC voltage. The present invention particularly relates to a method for measuring the quality coefficient of a varicap type diode.

Une diode du type varicap est une diode utilisée en inverse et à laquelle on applique une tension de polarisation continue variable pour faire varier sa capacité. De telles diodes sont couramment utilisées dans des circuits haute fréquence, c'est-à-dire à des fréquences pouvant être dans la gamme allant du mégahertz à quelques dizaines de gigahertz. A varicap type diode is a diode used in reverse and to which a variable DC bias voltage is applied to vary its capacitance. Such diodes are commonly used in high frequency circuits, that is to say frequencies which may be in the range from megahertz to a few tens of gigahertz.

Lors de la fabrication industrielle de varicaps, comme lors de la fabrication de tout composant semiconducteur, il est nécessaire d'effectuer diverses opérations de tri pour séparer les composants satisfaisants des composants présentant des défectuosités éventuelles. L'un des paramètres généralement retenus pour sélectionner une diode de type varicap, réside dans la valeur du coefficient de qualité ou facteur de surtension que peut présenter la varicap quand elle est excitée à une fréquence optimale. La valeur de ce coefficient de qualité est inversement proportionnelle à la valeur de la résistance série de la capacité équivalente à la diode. During the industrial manufacture of varicaps, as in the manufacture of any semiconductor component, it is necessary to carry out various sorting operations in order to separate the satisfactory components from the components having possible defects. One of the parameters generally used to select a varicap type diode lies in the value of the quality coefficient or overvoltage factor that the varicap can have when it is excited at an optimal frequency. The value of this quality coefficient is inversely proportional to the value of the series resistance of the capacitance equivalent to the diode.

Ces mesures doivent s'effectuer à des fréquences très élevées, de l'ordre de 100 à 500 mégahertz par exemple, et l'on ne connait pas, à ces fréquences, de procédé industriel rapide pour effectuer avec précision des mesures de facteurs de surtension d'autant plus que les coefficients de qualité à mesurer pour des varicaps courantes sont de l'ordre de 400 à 500, ce qui exige que les facteurs de qualité des différents circuits de mesure soient supérieurs à ces valeurs. Les procédés utilisant des ponts d'admittances ne permettent pas d'atteindre une précision suffisante.Les seuls procédés connus de la demanderesse ne sont utilisés qu'en laboratoire et consistent à insérer l'élé- ment capacitif dont on veut mesurer le facteur de qualité dans une ligne coaxiale en court-circuit et à faire varier la fréquence d'excitation de la ligne pour tracer la courbe de surtension et déterminer le coefficient de qualité. Ces mesures, très précises, sont trop lentes pour être mises en oeuvre industriellement. These measurements must be carried out at very high frequencies, of the order of 100 to 500 megahertz for example, and there is no known, at these frequencies, of rapid industrial process for carrying out precise measurements of overvoltage factors. all the more so since the quality coefficients to be measured for common varicaps are of the order of 400 to 500, which requires that the quality factors of the various measurement circuits be greater than these values. The methods using admittance bridges do not allow sufficient accuracy to be achieved. The only methods known to the applicant are used only in the laboratory and consist in inserting the capacitive element for which the quality factor is to be measured. in a short-circuited coaxial line and varying the line excitation frequency to plot the overvoltage curve and determine the quality coefficient. These very precise measurements are too slow to be implemented industrially.

Ainsi, la présente invention prévoit un procédé rapide et précis de mesure du coefficient de qualité de diodes de type varicap en haute fréquence. Thus, the present invention provides a rapid and precise method for measuring the quality coefficient of varicap type diodes at high frequency.

Un autre objet de la présente invention est de prévoir un appareil mettant en oeuvre ce procédé. Another object of the present invention is to provide an apparatus implementing this method.

Ces objets de la présente invention sont atteints en prévoyant un procédé de mesure du coefficient de qualité d'un composant dont la capacité dépend d'une polarisation, par exemple du type diode varicap, utilisant une ligne coaxiale et comprenant les étapes consistant à : connecter la varicap à une extrémité de la ligne ; connecter une capacité préréglée à l'autre extrémité de la ligne ; appliquer une tension de polarisation continue à la ligne ; exciter la ligne à fréquence fixe élevée ; faire varier la valeur de la tension de polarisation ; détecter l'amplitude alternative haute fréquence dans la ligne et mémoriser la valeur de son maximum. La valeur de ce maximum correspond à celle du coefficient de qualité. These objects of the present invention are achieved by providing a method for measuring the quality coefficient of a component whose capacity depends on a polarization, for example of the varicap diode type, using a coaxial line and comprising the steps consisting in: connecting varicap at one end of the line; connect a preset capacity to the other end of the line; applying a DC bias voltage to the line; energize the line at high fixed frequency; varying the value of the bias voltage; detect the high frequency AC amplitude in the line and store the value of its maximum. The value of this maximum corresponds to that of the quality coefficient.

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront explicités dans la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
- la figure 1 représente, partiellement sous forme de blocs, un mode de réalisation de l'appareil selon la présente invention
- la figure 2 représente diverses courbes de tension en fonction du temps, utile à la compréhension du circuit de la figure 1
- la figure 3 représente un mode de réalisation d'une partie des circuits de l'appareil de la figure 1 ; et
- la figure 4 représente un mode de réalisation d'un condensateur d'extrémité de ligne faisant partie de l'appareil de la figure 1.These objects, characteristics and advantages of the present invention will be explained in the following description of particular embodiments, made in relation to the attached figures among which
- Figure 1 shows, partially in the form of blocks, an embodiment of the apparatus according to the present invention
- Figure 2 shows various voltage curves over time, useful for understanding the circuit of Figure 1
- Figure 3 shows an embodiment of part of the circuits of the apparatus of Figure 1; and
FIG. 4 represents an embodiment of a line end capacitor forming part of the apparatus of FIG. 1.

La figure 1 est destinée à illustrer le procédé selon la présente invention. Une varicap 1 dont on veut mesurer le facteur de qualité est connectée aux bornes A et B d'une ligne coaxiale comprenant un cylindre externe 10 et une âme 11. Figure 1 is intended to illustrate the method according to the present invention. A varicap 1 for which the quality factor is to be measured is connected to the terminals A and B of a coaxial line comprising an external cylinder 10 and a core 11.

L'autre extrémité de la ligne est fermée par un condensateur réglable 12. La ligne coaxiale est également connectée à une source de tension continue variable 13 par l'intermédiaire d'une inductance de protection 14. La ligne est excitée par une antenne 15 reliée à une source haute fréquence 16. Une antenne réceptrice 17 détecte le champ électromagnétique à l'intérieur de la ligne coaxiale au voisinage de l'extrémité connectée à la varicap.Cette antenne alimente un amplificateur 18 relié à un circuit de mémorisation de maximum 19 luimême connecté à un circuit de comparaison 20 à plusieurs sorties 201,202... 20n
La valeur C1 de la capacité du condensateur 12 est choisie pour que, à la fréquence fixe du générateur 16, l'im pédance de la ligne vue des extrémités AB soit selfique et que la valeur de l'inductance ramenée soit telle que le circuit oscillant obtenu résonne pour une valeur choisie CO de la capacité de la diode varicap 1, cette varicap étant polarisée en inverse par la source de tension continue 13.The other end of the line is closed by an adjustable capacitor 12. The coaxial line is also connected to a variable DC voltage source 13 via a protective inductor 14. The line is excited by an antenna 15 connected to a high frequency source 16. A receiving antenna 17 detects the electromagnetic field inside the coaxial line in the vicinity of the end connected to the varicap. This antenna feeds an amplifier 18 connected to a maximum 19 storage circuit itself connected to a comparison circuit 20 with several outputs 201,202 ... 20n
The value C1 of the capacitance of the capacitor 12 is chosen so that, at the fixed frequency of the generator 16, the im pedance of the line seen from the ends AB is inductive and that the value of the inductance brought back is such that the oscillating circuit obtained resonates for a chosen value CO of the capacitance of the varicap diode 1, this varicap being reverse biased by the DC voltage source 13.

Ainsi, pour une même race de varicaps, pouvant atteindre la valeur de capacité CO choisie, pour une polarisation comprise dans une gamme prédéterminée, on insère successivement les varicaps à tester entre les bornes A et B et, pour chacune, l'on fait varier la tension continue 13 selon une rampe, comme celà est représenté en figure 2, courbe A. La tension détectée à la borne 17 et amplifiée par l'amplificateur 18 varie de la façon représentée en figure 2B. Dans cette figure 2B, les courbes a, b et c correspondent à des diodes varicaps satisfaisant à la norme, c'est-à-dire que leur coefficient de surtension est élevé, et que la résonance se produit dans la plage de tension correspondant à la rampe appliquée ; les courbes d et e correspondent à des diodes varicaps dont le coefficient de qualité est trop faible.La valeur maximale de la tension de sortie de l'amplificateur 18 est mémorisée à court terme dans un circuit de mémorisation 19. Cette valeur mémorisée est comparée dans un comparateur 20 à des valeurs de référence pour fournir une indication sur l'une ou l'autre de n sorties 201 à 20n indiquant que la diode appartient à l'une ou l'autre de n catégories présélectionnées. Pour déterminer ces n catégories, on procèdera à un étalonnage initial en connectant aux bornes A et B des diodes de caractéristiques connues, notamment en ce qui concerne'leur coefficient de qualité. Thus, for the same breed of varicaps, which can reach the value of CO capacity chosen, for a polarization comprised in a predetermined range, the varicaps to be tested are successively inserted between the terminals A and B and, for each, the variation is made the DC voltage 13 along a ramp, as shown in FIG. 2, curve A. The voltage detected at terminal 17 and amplified by the amplifier 18 varies as shown in FIG. 2B. In this FIG. 2B, the curves a, b and c correspond to varicap diodes satisfying the standard, that is to say that their overvoltage coefficient is high, and that the resonance occurs in the voltage range corresponding to the ramp applied; the curves d and e correspond to varicap diodes whose quality coefficient is too low. The maximum value of the output voltage of the amplifier 18 is stored in the short term in a storage circuit 19. This stored value is compared in a comparator 20 to reference values to provide an indication on one or the other of n outputs 201 to 20n indicating that the diode belongs to one or the other of n preselected categories. To determine these n categories, an initial calibration will be carried out by connecting diodes of known characteristics to terminals A and B, in particular with regard to their quality coefficient.

Quand on change de race de diodes, c'est-à-dire que l'on cherche à trier des varicaps dont le coefficient de surtension optimum diffère de celui d'une race précédente et dont la capacité pour une tension appliquée dans une plage donnée diffère également de celle de la race précédente, on modifie d'une part la valeur de la capacité du condensateur réglable 12 pour pouvoir obtenir l'accord du circuit oscillant constitué par la varicap 1 et la ligne coaxiable, d'autre part les valeurs de référence du comparateur 20 pour effectuer un tri correspondant à cette nouvelle race. When we change the breed of diodes, that is to say we try to sort varicaps whose optimum overvoltage coefficient differs from that of a previous race and whose capacity for a voltage applied in a given range also differs from that of the previous race, we modify on the one hand the value of the capacity of the adjustable capacitor 12 to be able to obtain the agreement of the oscillating circuit constituted by the varicap 1 and the coaxial line, on the other hand the values of comparator reference 20 for sorting corresponding to this new breed.

Ainsi, on peut constater l'un des avantages de la présente invention, à savoir qu'un même équipement permet d'effectuer des mesures sur divers types de varicaps. Thus, one can see one of the advantages of the present invention, namely that the same equipment makes it possible to carry out measurements on various types of varicaps.

Un autre avantage de l'appareil de la présente invention réside dans sa rapidité. L'exploration d'une courbe de résonance de varicap par variation de la tension continue 13 peut être effectuee en une durée de l'ordre de la dizaine de millisecondes. Les résultats expérimentaux ont montré que la précision pouvait être meilleure que 5 % et la répétitivité meilleure que 1 %. Le dispositif selon la présente invention se prête tout particulièrement à une insertion dans un ensemble où les diodes varicap défilent automatiquement, les bornes A et B étant solidaires de doigts ou pinces de mesure venant s'appuyer sur les varicaps lors de leur défilement. Another advantage of the apparatus of the present invention lies in its speed. The exploration of a varicap resonance curve by variation of the DC voltage 13 can be carried out in a period of the order of ten milliseconds. Experimental results have shown that accuracy can be better than 5% and repeatability better than 1%. The device according to the present invention is particularly suitable for insertion into an assembly where the varicap diodes run automatically, the terminals A and B being integral with fingers or measuring clamps coming to bear on the varicaps during their running.

La figure 3 représente un mode de réalisation particulier de l'ensemble de détection représenté sous forme de blocs et désigné sous les références 18, 19 et 20 en figure 1. L'amplificateur 18 est de préférence un amplificateur accordé sur la fréquence de l'oscillateur 16 et comprend en série un amplificateur accordé 21 et une diode détectrice 22. FIG. 3 represents a particular embodiment of the detection assembly represented in the form of blocks and designated under the references 18, 19 and 20 in FIG. 1. The amplifier 18 is preferably an amplifier tuned to the frequency of the oscillator 16 and comprises in series a tuned amplifier 21 and a detector diode 22.

La sortie de la diode 22 est connectée au circuit de détection de maximum 19, et plus précisément à la première entrée d'un amplificateur différentiel 24 dont la sortie est couplée à la première entrée par l'intermédiaire d'une diode 25. Ainsi, les maxima sont détectés et mémorisés sur un condensateur 26 connecté de la façon représentée. La charge sur le condensateur 26 est transmise par un ensemble amplificateur 27 à la première entrée d'un amplificateur différentiel 30 faisant partie du circuit de comparaison 20. Au cours de chaque mesure, ce signal à la première entrée (+) de l'amplificateur différentiel 30 est comparé à une succession de tensions apparaissant séquentiellement à la deuxième entrée (-) de cet amplificateur différentiel 30.Les diverses tensions de références peuvent être fournies par balayage séquentiel de commutateurs 311,312...31n par l'intermédiaire d'un circuit numérique, du type circuit de comptage 32. Ainsi, la tension apparaissant aux bornes de diverses résistances 331332 33n est séquen
n tiellement fournie à l'entrée négative de l'amplificateur différentiel 30 par l'intermédiaire d'un circuit d'amplification 34. Ce circuit ne sera pas décrit plus en détail car des circuits de même type sont bien connus dans la technique.The output of diode 22 is connected to the maximum detection circuit 19, and more precisely to the first input of a differential amplifier 24 whose output is coupled to the first input by means of a diode 25. Thus, the maxima are detected and stored on a capacitor 26 connected in the manner shown. The charge on the capacitor 26 is transmitted by an amplifier assembly 27 to the first input of a differential amplifier 30 forming part of the comparison circuit 20. During each measurement, this signal at the first input (+) of the amplifier differential 30 is compared to a succession of voltages appearing sequentially at the second input (-) of this differential amplifier 30. The various reference voltages can be supplied by sequential scanning of switches 311,312 ... 31n via a circuit digital, of the counting circuit type 32. Thus, the voltage appearing at the terminals of various resistors 331332 33n is sequenced
n tially supplied to the negative input of the differential amplifier 30 via an amplification circuit 34. This circuit will not be described in more detail since circuits of the same type are well known in the art.

On insistera néanmoins sur le fait que dans ce mode de réalisation, les diverses sorties 201,202...20n représentées en figure 1, sont en fait réalisées par des crénaux temporels successifs sur une borne 35 de sortie de l'amplificateur différentiel 30, c'est-à-dire par division dans le temps.It will nevertheless be emphasized that in this embodiment, the various outputs 201, 202 ... 20 n shown in FIG. 1, are in fact produced by successive time slots on an output terminal 35 of the differential amplifier 30, c ' that is to say by division over time.

La figure 4 représente à titre d'exemple un mode de réalisation du condensateur variable 12 de fermeture de la ligne coaxiale représenté en figure 1. Cette ligne coaxiale comprend un tube cylindrique externe 10 et une âme 11. L'ex trémité de l'âme 11 est connectée à un disque 40 concentrique au cylindre et perpendiculaire à son axe. Un autre disque 41 est monte électriquement solidairement du cylindre externe 10, par l'intermédiaire d'un soufflet métallique ou métallisé 42. FIG. 4 shows by way of example an embodiment of the variable capacitor 12 for closing the coaxial line shown in FIG. 1. This coaxial line comprises an external cylindrical tube 10 and a core 11. The end of the core 11 is connected to a disc 40 concentric with the cylinder and perpendicular to its axis. Another disc 41 is electrically mounted integrally with the external cylinder 10, by means of a metallic or metallized bellows 42.

I1 est en outre prévu des moyens de pression non représentés pour permettre le réglage de la distance entre les disques 40 et 41, d'où il résulte que l'on obtient un condensateur variable dont le réglage peut être effectué extrêmement simplement et finement, ce condensateur ayant pour plaques les disques 40 et 41. I1 is also provided pressure means not shown to allow the adjustment of the distance between the discs 40 and 41, where it follows that one obtains a variable capacitor whose adjustment can be performed extremely simply and finely, this capacitor having for plates the disks 40 and 41.

Les divers modes de réalisation décrits ci-dessus ne doivent pas être considérés comme limitatifs et la présente invention englobe les caractéristiques générales comprises dans la formulation des revendications ci-après. The various embodiments described above are not to be considered limiting and the present invention encompasses the general features included in the formulation of the claims below.

Claims

1. Method for measuring the quality coefficient of a component whose capacity depends on a polarization, using a coaxial line, characterized in that it comprises the following steps

connect the component to one end of the coaxial line,

connect a preset capacity to the other end of the line

apply a DC bias voltage to the line

excite high frequency fixed line

vary the value of the bias voltage and

detect the high frequency AC amplitude in the line and store the value of its maximum.

2. Measuring device for the coefficient of quality of a component of the varicap diode type, characterized in that it comprises a coaxial line, one end of which is connected to a variable capacitor and the other end of which is secured to terminals which can be connected to varicaps to measure a device making it possible to apply a voltage ramp across the coaxial line; means for high frequency excitation of the coaxial line; means for detecting the high frequency voltage in the line in the vicinity of the measurement end; and means for memorizing the maximum of the detected voltage.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that it further comprises comparison means for comparing the stored value with predetermined values.

4. Apparatus according to claim 2 characterized in that the variable capacity is formed of two parallel discs facing each other, the first disc being secured to the train of the line coaxial and orthogonal to it and the second disc being secured to the external cylinder of the coaxial line by means of a bellows, adjustment means being provided to modify the distance between the two discs.