FR2514903A1

FR2514903A1 - Impedance measuring circuit for semiconductor components - has summing circuit forming dipole equivalent to voltage generator in combination with pulse generator and oscillator

Info

Publication number: FR2514903A1
Application number: FR8120096A
Authority: FR
Inventors: Jean Farre; Andre Peyrefitte; Jean-Claude Subiela
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1981-10-21
Filing date: 1981-10-21
Publication date: 1983-04-22
Also published as: FR2514903B1

Abstract

The appts. produces on image of the relaxation curve of a component under the influence of an electric perturbation, the image reproducing faithfully rapid impedance variations with a response time less than 100 nS. The appts. has an oscillator (1) emitting a carrier of known frequency and a pulse generator (2) emitting a polarisation signal with predetermined rise edge. A summation circuit (3) delivers a signal representing the sum of the oscillator and pulse generator signals to the impedance to be measured (C). The oscillator, pulse generator and summation circuit together form a dipole equivalent to a voltage generator having negligible output impedance w.r.t. the impedance to be measured. The appts. also has an amplifier (5) tuned to the carrier frequency and connected to the output of the impedance to be measured, an adjustable phase convertor (7) which receives the carrier signal and delivers a signal whose phase is adjustable w.r.t. the signal from the amplifier a demodulator (6) which receives signals from the amplifier and phase convertor and delivers a signal proportional to the product of these two signals to a low-pass filter (8) which eliminates the carrier frequency component.

Description

DISPOSITIF DE MESURE D'UNE IMPéDANCE
L'invention concerne un dispositif de mesure d'une impédance, notamment de la capacité d'un composant à semi-conducteur ; elle vise en particulier à fournir un dispositif possédant des temps de réponse très courts, inférieurs par exemple à 100 nS (nanosecondes), de façon à permettre de suivre l'évolution rapide d'une impédance dynamique au cours d'un régime transitoire.IMPEDANCE MEASURING DEVICE
The invention relates to a device for measuring an impedance, in particular of the capacitance of a semiconductor component; it aims in particular to provide a device having very short response times, for example less than 100 nS (nanoseconds), so as to allow the rapid evolution of a dynamic impedance to be followed during a transient state.

On sait qu'un des moyens pour caractériser des composants à semi-conducteurs (M.I.S., .O.S., diodes,...) réside dans l'étude du régime transitoire de relaxation de ces structures sous effet d'une perturbation électrique. L'étude de ce régime est effectuée à partir d'une mesure de l'évolution de l'impédance dynamique de la structure, le plus souvent à partir de l'évolution de sa capacité dynamique. We know that one of the means to characterize semiconductor components (M.I.S., .O.S., Diodes, ...) lies in the study of the transient relaxation regime of these structures under the effect of an electrical disturbance. The study of this regime is carried out from a measurement of the evolution of the dynamic impedance of the structure, most often from the evolution of its dynamic capacity.

Actuellement, l'étude de ces régimes transitoires est généralement réalisée au moyen de ponts de mesure ou de détecteurs synchrones ; toutefois, ces appareillages sont très mal adaptés à l'étude d'un régime transitoire rapide, d'une part, en raison de leur temps de réponse relativement long, d'autre part, du fait qu'ils effectuent une simple mesure de capacité sans possibilité d'introduire la perturbation nécessaire à la création du régime de relaxation.En particulier, les détecteurs synchrones qui sont les dispositifs les plus rapides existant actuellement sur le marché, possèdent des temps de réponse toujours supérieurs à 150 es (microsecondes); or la courbe de relaxation d'un composant à semi-conducteur présente des phénomenes intéressants à déceler, qui ont des durées souvent très inférieures à cette valeur (durées de quelques centaines de nS). Currently, the study of these transient regimes is generally carried out by means of measuring bridges or synchronous detectors; however, these devices are very ill-suited to the study of a rapid transient regime, on the one hand, because of their relatively long response time, on the other hand, because they perform a simple capacity measurement without the possibility of introducing the disturbance necessary for the creation of the relaxation regime. In particular, the synchronous detectors which are the fastest devices currently existing on the market, have response times always greater than 150 es (microseconds); now the relaxation curve of a semiconductor component presents interesting phenomena to detect, which often have durations much less than this value (durations of a few hundred nS).

La présente invention se propose de pallier les insuffisances des dispositifs connus et de fournir un nouveau disposit-~, capable de délivrer en sortie une image de la courbe de relaxation d'un composant sous l'influence d'une perturbation électrique, image reproduisant fidèlement les variations rapides d'impédance avec une finesse d'analyse inférieure à 100 nS. The present invention proposes to overcome the shortcomings of known devices and to provide a new device, capable of outputting an image of the relaxation curve of a component under the influence of an electrical disturbance, an image faithfully reproducing rapid variations in impedance with a finesse of analysis less than 100 nS.

Un autre objectif de l'invention est de permettre, en temps différé, soit de visualiser la courbe sur une table traçante ou un oscilloscope, soit de mémoriser celle ci sous forme numérique en vue d'une exploitation notamment par un calculateur. Another objective of the invention is to allow, in deferred time, either to visualize the curve on a plotter or an oscilloscope, or to memorize it in digital form for use in particular by a computer.

Un autre objectif est de permettre de mesurer une composante spécifique de l'impédance (capacitive, inductive ou purement résistive) sans que la mesure soit perturbée par les autres composantes de celle-ci. Another objective is to make it possible to measure a specific component of the impedance (capacitive, inductive or purely resistive) without the measurement being disturbed by the other components of the latter.

Un autre objectif est de fournir un dispositif parfaitement adapté à la mesure d'impédances non linéaires, c'est-à-dire d'impédances dont la valeur varie en fonction de l'amplitude des signaux qui leur sont appliqués. Another objective is to provide a device perfectly suited to the measurement of non-linear impedances, that is to say impedances whose value varies as a function of the amplitude of the signals applied to them.

Un autre objectif est de permettre d'effectuer les mesures sus-évoquées pour une très large gamme de valeurs d'impédances. Another objective is to make it possible to carry out the abovementioned measurements for a very wide range of impedance values.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif contenant uniquement des composants standards de faible prix de revient, qui conditionnent un faible coût d'ensemble du dispositif. Another objective of the invention is to provide a device containing only standard components of low cost price, which condition a low overall cost of the device.

A cet effet, le dispositif de mesure visé par l'invention comprend un oscillateur apte à délivrer une porteuse de fréquence déterminée vers l'impédance à mesurer, un amplificateur accordé sur la fréquence de la porteuse et branché à la sortie de l'impédance à mesurer, un déphaseur réglable agencé pour recevoir la porteuse issue de l'oscillateur et adapté pour délivrer un signal de phase ajustable par rapport au signal issu de l'amplificateur, un démodulateur agencé pour recevoir le signal issu de l'amplificateur et le signal issu du déphaseur et adapté pour délivrer un signal proportionnel au produit des deux signaux et un filtre passe-bas agencé pour recevoir ce dernier signal et pour en éliminer la composante à la fréquence porteuse ; conformément à la présente invention, le dispositif comporte
un générateur d'impulsions adapté pour délivrer un signal de polarisation présentant un front de montée (ou de descente) de forme prédéterminée,
un circuit de sommation agencé pour recevoir le signal issu de l'oscillateur et le signal de polarisation et adapté pour délivrer vers l'impédance à mesurer un signal représentatif de la somme de ces signaux.To this end, the measuring device targeted by the invention comprises an oscillator capable of delivering a carrier of determined frequency to the impedance to be measured, an amplifier tuned to the frequency of the carrier and connected to the output of the impedance to measure, an adjustable phase shifter arranged to receive the carrier from the oscillator and adapted to deliver an adjustable phase signal relative to the signal from the amplifier, a demodulator arranged to receive the signal from the amplifier and the signal from the phase shifter and adapted to deliver a signal proportional to the product of the two signals and a low-pass filter arranged to receive the latter signal and to eliminate the component at the carrier frequency; in accordance with the present invention, the device comprises
a pulse generator adapted to deliver a polarization signal having a rising (or falling) edge of predetermined shape,
a summing circuit arranged to receive the signal from the oscillator and the polarization signal and adapted to deliver to the impedance to be measured a signal representative of the sum of these signals.

Selon un premier mode de réalisation plus particulièrement adapté à la mesure d'impédances élevées, l'impédance à mesurer est attaquée en tension et le circuit de sommation présente des caractéristiques telles qu'il constitue avec l'oscillateur et le générateur d'impulsion , un dipôle d'impédance de sortie négligeable par rapport à l'impédance à mesurer, dipôle équivalent à un générateur de tension ; de plus dans ce cas, le dispositif est complété par une impédance, présentant une valeur faible, négligeable par rapport à l'impédance à mesurer, et agencée en dérivation à l'entrée de l'amplificateur de façon à constituer avec le dipôle précité et l'impédance à mesurer, une boucle de mesure dont l'impédance totale est sensiblement égale à la valeur de l'impédance à mesurer. According to a first embodiment more particularly suitable for measuring high impedances, the impedance to be measured is driven in voltage and the summing circuit has characteristics such that it constitutes with the oscillator and the pulse generator, a negligible output impedance dipole compared to the impedance to be measured, dipole equivalent to a voltage generator; moreover in this case, the device is completed by an impedance, having a low value, negligible compared to the impedance to be measured, and arranged as a bypass at the input of the amplifier so as to constitute with the aforementioned dipole and the impedance to be measured, a measurement loop whose total impedance is substantially equal to the value of the impedance to be measured.

Selon un second mode de réalisation plus particulièrement adapté à la mesure d'impédances faibles, l'impédance à mesurer est attaquée en courant et le circuit de sommation présente des caractéristiques telles qu'il constitue avec l'oscillateur et le générateur d'impulsion un dipôle dtim- pédance de sortie très grande par rapport à l'impédance à mesurer, dipôle équivalent à un générateur de courant ; dans ce cas l'impédance à mesurer est agencée en dérivation à l'entrée de l'amplificateur de façon à constituer avec le dipole,une boucle de mesure dont l'impédance totale est très grande par rapport à la valeur de l'impédance à mesurer. According to a second embodiment more particularly adapted to the measurement of low impedances, the impedance to be measured is attacked in current and the summing circuit has characteristics such that it constitutes with the oscillator and the pulse generator a dipole with very large output pdance relative to the impedance to be measured, dipole equivalent to a current generator; in this case the impedance to be measured is arranged as a bypass at the input of the amplifier so as to constitute with the dipole, a measurement loop whose total impedance is very large compared to the value of the impedance at measure.

Le dispositif conforme à l'invention selon l'une ou l'autre des variantes décrites ci-dessus, peut être adapté pour posséder des temps de réponse très courts, inférieurs à 100 nS ; il suffit de prévoir un générateur d'impulsion adapté pour délivrer un signal de polarisation dont le front de montée (ou de descente) posséde une durée inférieure à approximativement 50 nS, un oscillateur travaillant à des fréquences supérieures à 6 MHz, un amplificateur adapté pour présenter une bande passante supérieure à 6 MHz à - 3 décibels, un démodulateur adapté pour présenter un temps de réponse propre, inférieur à approximativement 50 nanosecondes, et un filtre passe-bas adapté pour présenter une fréquence de coupure à - 3 décibels, supérieure à 3 MHz.De tels moyens sont des organes courants et bien connus de l'homme de l'art et il est facile de disposer, à coût réduit, d'oscillateurs fonctionnant à très haute fréquence (supérieure à 50 MH par exemple), de généra teurs d'impulsion délivrant des signaux à front de montée ou de descente de durée de l'ordre de quelques nanosecondes, et des amplificateurs, démodulateurs et filtres passe-bas ayant des caractéristiques leur permettant de satisfaire largement aux exigences ci-dessus évoquées. The device according to the invention according to one or other of the variants described above, can be adapted to have very short response times, less than 100 nS; it suffices to provide a pulse generator adapted to deliver a polarization signal whose rising (or falling) edge has a duration of less than approximately 50 nS, an oscillator working at frequencies higher than 6 MHz, an amplifier adapted for have a bandwidth greater than 6 MHz at - 3 decibels, a demodulator adapted to present a clean response time, less than approximately 50 nanoseconds, and a low-pass filter adapted to present a cut-off frequency at - 3 decibels, greater than 3 MHz. Such means are common organs well known to those skilled in the art and it is easy to have, at reduced cost, oscillators operating at very high frequency (greater than 50 MH for example), pulse generators delivering signals with rising or falling edges of the order of a few nanoseconds, and amplifiers, demodulators and low-pass filters having characteristics allowing them ant largely meet the above-mentioned requirements.

L'impédance à mesurer est attaquée dans le dispositif de l'invention, par un signal composite constitué par la somme d'un signal haute fréquence et d'un signal de polarisation ; ce signal composite permet, à la fois, d'entrainer l'apparition d'un phénomène transitoire de relaxation dans l'impédance à mesurer et de mesurer, à fréquence élevée, la valeur de l'impédance instantanée pardémodulation synchrone.La très faible durée du front du signal de polarisation, associe à la valeur élevée de la fréquence de mesure et aux caractéristiques ae réponses propres des organes situées en aval de l'impédance à mesurer permet d'obtenir des temps de réponse très rapide pour le dispositif et donc une grande finesse d'analyse de la courbe de,e,pn ; de plus, les caractéristiques du dipôle d'attaque/de l'impédance a mesurer assurent une très bonne linéarité de la mesure .(c'est-à-dire une stricte proportionnalité entre le signal délivré et la grandeur mesurée). The impedance to be measured is attacked in the device of the invention, by a composite signal constituted by the sum of a high frequency signal and a polarization signal; this composite signal makes it possible both to cause the appearance of a transient phenomenon of relaxation in the impedance to be measured and to measure, at high frequency, the value of the instantaneous impedance by synchronous demodulation. of the front of the polarization signal, associated with the high value of the measurement frequency and with the characteristics of the proper responses of the organs located downstream of the impedance to be measured makes it possible to obtain very fast response times for the device and therefore a great finesse in analyzing the curve of, e, pn; in addition, the characteristics of the attack dipole / impedance to be measured ensure very good linearity of the measurement (that is to say, strict proportionality between the signal delivered and the quantity measured).

Par ailleurs, le dispositif de l'invention peut être complété à sa sortie, par des moyens de traitement du signal, adaptés pour mémoriser celui-ci sous forme numérique et le restituer1 n vue d'une exploitation1soit vers des moyens de visualisation soit vers un calculateur, à une vitesse compatible avec les vitesses de fonctionnement desdits moyens ; on fournira plus loin un exemple préférentiel de tels moyens de traitement. Furthermore, the device of the invention can be supplemented at its output, by signal processing means, adapted to memorize the latter in digital form and restore it 1 for operational use 1 either to display means or to a computer, at a speed compatible with the operating speeds of said means; a preferred example of such processing means will be given later.

L'invention peut en particulier etre appliquée pour la mesure de capacité, notamment de la capacité dynamique d'un composant à semi-conducteur aux fins de caractérisation de celui-ci. Le déphaseur est alors réglé pour délivrer un signal en phase avec la composante capacitive du signal issu de l'amplificateur ; le signal de sortie est ainsi à tout instant directement proportionnel au terme capacitif du composant analysé. The invention can in particular be applied for measuring capacity, in particular the dynamic capacity of a semiconductor component for the purpose of characterizing it. The phase shifter is then adjusted to deliver a signal in phase with the capacitive component of the signal from the amplifier; the output signal is thus at all times directly proportional to the capacitive term of the component analyzed.

L'invention ayant été exposée dans sa forme générale, d'autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci se dégageront de la description qui suit, en référence aux dessins annexés, qui en présentent à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description
a lafigure 1 est un schéma synoptique de l'étage de mesure d'impédance d'un dispositif conforme à l'invention,
la figure 2 schématise les circuits d'un des ensembles de cet étage de mesure,
La figure 3 est une vue en perspective schématique, illustrant la structure d'un des éléments de cet ensemble,
. la figure 4 schématise les circuits d'un autre ensemble de l'étage de mesure,
les figures 5a et 5b sont des diagrammes illustrant, d'une part, un signal de polarisation, d'autre part, une courbe de relaxation typique dans le cas d'une capacité M.I.S. (Métal Isolant Semi-conducteur),
. la figure 6 est un schéma synoptique partiel d'une variante d'étage de mesure,
. la figure 7 est un schéma synoptique d'un étage de traitement susceptible d'équiper le dispositif.The invention having been set out in its general form, other characteristics, objects and advantages thereof will emerge from the description which follows, with reference to the appended drawings, which show by way of nonlimiting examples, modes of achievement; on these drawings which form an integral part of the present description
FIG. 1 is a block diagram of the impedance measurement stage of a device according to the invention,
FIG. 2 diagrams the circuits of one of the assemblies of this measurement stage,
FIG. 3 is a schematic perspective view, illustrating the structure of one of the elements of this assembly,
. FIG. 4 diagrams the circuits of another set of the measurement stage,
FIGS. 5a and 5b are diagrams illustrating, on the one hand, a polarization signal, on the other hand, a typical relaxation curve in the case of an MIS (Semiconductor Insulating Metal) capacitance,
. FIG. 6 is a partial block diagram of a variant of the measurement stage,
. Figure 7 is a block diagram of a processing stage capable of equipping the device.

Le dispositif de mesure représenté à titre d'exemple aux figuresestdestiné à donner une image de courbes de relaxation de capacités, avec une finesse d'analyse inférieure à 100 nS. Ce dispositif est essentiellement constitué, d'une part, par un étage de mesure (figure l, 2, 3, 4) qui délivre en temps réel un signal analogique directe- ment proportionnel à tout instant à la valeur instantanée de la capacité dynamique du composant à mesurer, d'autre part, par un étage de traitement (figure 7) qui délivre, en temps différé, des signaux codés sous forme numérique, représentatifs de la courbe de relaxation du composant. The measurement device shown by way of example in the figures is intended to give an image of capacity relaxation curves, with a finesse of analysis less than 100 nS. This device is essentially constituted, on the one hand, by a measurement stage (FIG. 1,2,3,4) which delivers in real time an analog signal directly proportional at all times to the instantaneous value of the dynamic capacity of the component to be measured, on the other hand, by a processing stage (FIG. 7) which delivers, in delayed time, signals coded in digital form, representative of the relaxation curve of the component.

L'étage de mesure comprend en amont de la capacité à mesurer C, un oscillateur sinusoïdal l, en l'exemple de fréquence de l'ordre de 50 MHz, un générateur d'impulsions 2 apte à délivrer un signal de polarisation possédant un front descendant d'une durée de l'ordre de lO nS et un circuit de sommation 3 sommant la porteuse issue de l'oscillateur et les impulsion, issues du générateur. The measurement stage comprises, upstream of the capacity to measure C, a sinusoidal oscillator l, in the example of a frequency of the order of 50 MHz, a pulse generator 2 capable of delivering a polarization signal having an edge descending with a duration of the order of 10 nS and a summing circuit 3 summing the carrier from the oscillator and the pulses from the generator.

Dans l'exemple de la figure 1, le compo icircuit de! sant C est attaqué en tension ; letsommàtion 3, l'oscillateur 1 et le générateur 2 forment, vis-à-vis dudit composant, un dipôle d'impédance de sortie négligeable par rapport à la valeur de l'impédance du composant C, ce dipôle étant donc équivalent à un générateur de tension. In the example in Figure 1, the icircuit component of! health C is attacked in tension; letsommàtion 3, the oscillator 1 and the generator 2 form, vis-à-vis said component, a dipole of output impedance negligible compared to the value of the impedance of component C, this dipole being therefore equivalent to a generator Of voltage.

En aval de la capacité C, l'étage de mesure comprend une impédance 4 de faible valeur, négligeable par rapport à l'impédance de C ; cette impédance 4 est agencée en dérivation à la sortie de C de façon à constituer avec le dipôle précité et la capacité C à mesurer, une boucle de mesure dont l'impédance totale peut être considérée comme étant égale à l'impédance à mesurer, compte tenu de la précision désirée. Downstream of the capacitor C, the measurement stage comprises an impedance 4 of low value, negligible compared to the impedance of C; this impedance 4 is arranged as a bypass at the output of C so as to constitute, with the aforementioned dipole and the capacitance C to be measured, a measurement loop whose total impedance can be considered to be equal to the impedance to be measured, account given the desired precision.

Un amplificateur 5 accordé sur la fréquence de l'oscillateur 1 reçoit la tension aux bornes de l'impédance 4 ; cet amplificateurwde type connu en soiwprésente une bande passante de 20 MHz à - 3 décibels. An amplifier 5 tuned to the frequency of the oscillator 1 receives the voltage across the impedance 4; this amplifier w of a type known per se has a bandwidth of 20 MHz at -3 decibels.

L'amplificateur 5 délivre le signal amplifié vers un démodulateur 6 dont un exemple de réalisation est décrit plus loin. Ce démodulateur 6 reçoit également un signal de référence délivré par un déphaseur réglable 7 qui prélève la porteuse issue de l'oscillateur 1. The amplifier 5 delivers the amplified signal to a demodulator 6, an exemplary embodiment of which is described below. This demodulator 6 also receives a reference signal delivered by an adjustable phase shifter 7 which picks up the carrier from the oscillator 1.

En l'exemple où la grandeur à mesurer est un terme purement capacitif, le déphaseur 7 est réglé de façon à délivrer vers le démodulateur un signal en phase avec la composante capacitive du signal issue de l'amplificateur 5. In the example where the quantity to be measured is a purely capacitive term, the phase shifter 7 is adjusted so as to deliver to the demodulator a signal in phase with the capacitive component of the signal coming from the amplifier 5.

Enfin, l'étage de mesure se termine par un filtre passe-bas 8 dont la fréquence de coupure à - 3 décibels est de l'ordre de 5 MHz. Finally, the measurement stage ends with a low-pass filter 8 whose cut-off frequency at -3 decibels is of the order of 5 MHz.

La figure 2 représente un exemple préférentiel du circuit de sommation 3, réalisé de sorte que le dipôle d'attaque de C satisfasse aux exigences d'impédance sus-évoquées. Ce circuit de sommation est en outre adapté pour réduire l'amplitude de la porteuse à une valeur telle que la valeur de l'impédance à mesurer puisse être consderée comme sensiblement constante pendant une période de la porteuse (compte tenu de la précision désirée). FIG. 2 represents a preferred example of the summing circuit 3, produced so that the driving dipole of C satisfies the above-mentioned impedance requirements. This summing circuit is further adapted to reduce the amplitude of the carrier to a value such that the value of the impedance to be measured can be considered as substantially constant during a period of the carrier (taking into account the desired precision).

A cet effet, le circuit de sommation 3 comprend un transformateur 9 ayant
un primaire 9a couplé à l'oscillateur 1 par l'entremise d'un pont diviseur résistif 10 adapté pour abaisser l'impédance de sortie propre à 1'oscillateur 1,
un secondaire 9b pourvu, d'une part, d'une entrée agencée en série avec le générateur d'impulsions 2 par l'entremise d'un pont diviseur résistif 11 adapté pour abaisser l'impédance de sortie propre dudit générateur d'impulsion 2, d'autre part,dune sortie connectée à l'impédance à mesurer.To this end, the summing circuit 3 comprises a transformer 9 having
a primary 9a coupled to the oscillator 1 by means of a resistive divider bridge 10 adapted to lower the output impedance specific to the oscillator 1,
a secondary 9b provided, on the one hand, with an input arranged in series with the pulse generator 2 via a resistive divider bridge 11 adapted to lower the own output impedance of said pulse generator 2 , on the other hand, an output connected to the impedance to be measured.

Ce transformateur 9 peut en particulier être très simplement réalisé (figure 3) au moyen d'un tore magnétique 9c agencé pour assurer un couplage constant voisin de l'unité entre le primaire 9a et le secondaire 9b, le primaire 9a étant constitué par un petit nombre de spires enroulées sur ledit tore et le secondaire par un simple fil traversant le tore 9c. This transformer 9 can in particular be very simply produced (FIG. 3) by means of a magnetic toroid 9c arranged to ensure constant coupling close to the unit between the primary 9a and the secondary 9b, the primary 9a being constituted by a small number of turns wound on said torus and the secondary by a single wire passing through the torus 9c.

Par ailleurs, le démodulateur 6 peut etre d type de celui représenté à la figure 4. Dans cet exemple, le démodulateur comprend deux transformateurs 12 et 13, pourvus de secondaires 12b et 13b à points milieux. Ces secondaires sont connectés à un circuit 14 composé de quatres diodes identiques, agencées en anneau (agencement connu en soi) comme le représente la figure 4. Furthermore, the demodulator 6 can be of the type shown in FIG. 4. In this example, the demodulator comprises two transformers 12 and 13, provided with secondaries 12b and 13b at midpoints. These secondaries are connected to a circuit 14 composed of four identical diodes, arranged in a ring (arrangement known per se) as shown in FIG. 4.

Le déphaseur 7 est connecté au primaire 13a de l'un des transformateurs 13, l'amplificateur 5 au primaire 12a de l'autre transformateur 12 ; le filtre passe-bas situé en sortie est branché entre les points milieux des secondaires 12b et 13b. The phase shifter 7 is connected to the primary 13a of one of the transformers 13, the amplifier 5 to the primary 12a of the other transformer 12; the low-pass filter located at the outlet is connected between the midpoints of the secondary 12b and 13b.

Le déphaseur 7 est pourvu de moyens de mise en forme de façon à délivrer vers le primaire 13a un signal en forme de créneaux carrés, d1amplitude suffisante pour amener les diodes du circuit 12 à fonctionner en régime de commutation de plus, les temps de transition de signal sont de durée très faible,(de l'ordre de 1,5 nS) afin de préserver la linéarité de 1 'étage. The phase shifter 7 is provided with shaping means so as to deliver to the primary 13a a signal in the form of square slots, of sufficient amplitude to cause the diodes of the circuit 12 to operate in switching mode, the transition times more signal are of very short duration, (of the order of 1.5 nS) in order to preserve the linearity of the stage.

De façon analogue, il est à noter que le gain de l'amplificateur 5 est ajusté de facon que l'amplitude du signal à sa sortie entraine un fonctionnement du démodulateur dans sa zone de linéarité. Similarly, it should be noted that the gain of amplifier 5 is adjusted so that the amplitude of the signal at its output causes the demodulator to operate in its linearity zone.

A titre d'illustration,la lafigure 5 représente l'allure d'un front descendant du signal de polarisation issu du générateur 2. La courbe 5b est la courbe de relaxation conséquente d'un composant capacitif du type M.I.S. On remarque dans cet exemple que la courbe de relaxation comporte une modification de pente en un point P distant d'environ 300 nanosecondes du début de la relaxation ; cet accident a pu être détecté par le dispositif de l'invention en raison de son faible temps de réponse ( < 100 nS). Dans le cas de la courbe de la figure 5b, la relaxation est très courte et dure un temps TR de l'ordre de 1,4 microseconde. Les dispositifs connus qui présentent des temps de réponse de l'ordre de 150 microsecondes ne permettent même pas de connaître le temps de relaxation et, à fortiori, d'acquérir la forme réelle de la courbe de relaxation. By way of illustration, lafigure 5 represents the shape of a falling edge of the polarization signal coming from the generator 2. The curve 5b is the consequent relaxation curve of a capacitive component of the type M.I.S. It is noted in this example that the relaxation curve comprises a modification of slope at a point P distant about 300 nanoseconds from the beginning of the relaxation; this accident could be detected by the device of the invention due to its short response time (<100 nS). In the case of the curve in FIG. 5b, the relaxation is very short and lasts a time TR of the order of 1.4 microseconds. Known devices which have response times of the order of 150 microseconds do not even make it possible to know the relaxation time and, a fortiori, to acquire the real shape of the relaxation curve.

Le dispositif ci-dessus décrit est plus particulièrement adapté pour mesurer de faibles capacités (impédances élevées), inférieures àunecentaine de picofarads. Dans cette gamme, le dispositif est optimisé en fonction de la plage des valeurs minimum C m et maximum Cq de la capacité pour obtenir la meilleurs sensibilité possible de la mesure ; cette optimisation peut être effectuée
soit en agissant sur l'amplitude de la tension de la porteuse,
soit en modifiant la valeur de l'impédance d
soit en modifiant le gain de l'ampllSica- teur 5.The device described above is more particularly suitable for measuring low capacities (high impedances), less than a hundred picofarads. In this range, the device is optimized as a function of the range of the minimum C m and maximum Cq values of the capacity to obtain the best possible sensitivity of the measurement; this optimization can be done
either by acting on the amplitude of the carrier voltage,
either by modifying the value of the impedance d
either by modifying the gain of amplifier 5.

Dans le cas de capacités élevées (supérieures àunecentaine de picofarads), l'entrée de l'étage de mesure est de préférence réalisé comme le représente la figure 6,de defaçon que la capacité à mesurer C' soit attaquée en courant, cette capacité C' étant agencée en dérivation à l'entrée del1amplifi- cateur. In the case of high capacitances (greater than a hundred picofarads), the input of the measurement stage is preferably carried out as shown in FIG. 6, so that the capacitance to be measured C 'is attacked by current, this capacitance C 'being arranged as a bypass at the input of the amplifier.

Dans ce cas, le dipôle d'attaque est équivalent à un générateur de courant, les ensembles constitutifs de celui-ci ayant des caractéristiques telles que ce dipôle ait une impédance de sortie très grande par rapport à l'impédance à mesurer C' ; ce dipôle et cette impédance à mesurer consti tuent ainsi une boucle de mesure dont l'impédance totale est très grande par rapport à la valeur de l'impédance à mesurer. In this case, the driving dipole is equivalent to a current generator, the constituent assemblies thereof having characteristics such that this dipole has a very large output impedance compared to the impedance to be measured C '; this dipole and this impedance to be measured thus constitute a measurement loop whose total impedance is very large compared to the value of the impedance to be measured.

Bien entendu, dans ce cas, le signal de sortie du démodulateur sera inversement proportionnel à la valeur de la capacité à mesurer et des conditions de linéarité analogues à celles du cas précédent sont à satisfaire par les divers ensembles constitutifs. Of course, in this case, the output signal from the demodulator will be inversely proportional to the value of the capacitance to be measured and linearity conditions similar to those of the previous case are to be satisfied by the various constituent sets.

Par ailleurs, la figure 7 représente un exemple d'étage de traitement susceptible d'être disposé après l'étage de mesure décrit plus haut (quelle que soit la variante). Furthermore, FIG. 7 represents an example of a processing stage capable of being arranged after the measuring stage described above (whatever the variant).

Cet étage de traitement est essentiellement composé par une ligne d'échantillonnage rapide L1 et en parallèle, par une ligne d'échantillonnage plus lent L2. This processing stage is essentially composed by a fast sampling line L1 and in parallel, by a slower sampling line L2.

La ligne L1 comprend un échantillonneur rapide 15 constitué par un registre à décalage analogique à transfert de charge (C.C.D.) programmé pour travailler en temps réel, un convertisseur analogique/numérique 16, adapté pour convertir sous forme numérique, en temps différé, les échantillons issus du registre 15, et une mémoire numérique 17 agencée pour stocker les informations numérisées provenant du convertisseur 16. Line L1 includes a rapid sampler 15 constituted by an analog shift transfer charge register (CCD) programmed to work in real time, an analog / digital converter 16, adapted to convert in digital form, in deferred time, the samples from of the register 15, and a digital memory 17 arranged to store the digitized information coming from the converter 16.

La ligne L2 comprend un second convertisseur analogique/numérique 18 adapté pour réaliser un échantillonnage du signal à vitesse inférieure à celle du premier échantil- lonnage et une seconde mémoire 19 adaptée pour stocker les informations numériques issues dudit second convertisseur. Line L2 comprises a second analog / digital converter 18 adapted to carry out a sampling of the signal at a speed lower than that of the first sampling and a second memory 19 adapted to store the digital information coming from said second converter.

Un microprocesseur 20 est associé aux lignes
L1 et L2 pour recevoir les informations numérisées des deux mémoires 17 et 19 et pour piloter les séquences de fonctionnement de l'ensemble.A microprocessor 20 is associated with the lines
L1 and L2 to receive the digitized information from the two memories 17 and 19 and to control the operating sequences of the assembly.

L'écbantiîlonneur C.C.D. 15 a une fréquence d'échantillonnage de 40 MHz (échantillons de 25 nS) de sorte qu'il est apte en temps réel à stocker provisoirement un nombre déterminé d'échantillons à partir de son déclenchement qui peut être provoqué par le front du signal de polarisation ou, à tout autre instant, par le microprocesseur. Compte tenu de la vitesse d'é- chantillonnage, les échantillons stockés provisoirement dans 1X- cnantillonneur C.C.D. 15 représentent le signal issu de l'étage de mesure (c'est-à-dire la courbe de relaxation) sans perte 'information. The C.C.D. 15 has a sampling frequency of 40 MHz (samples of 25 nS) so that it is able in real time to temporarily store a determined number of samples from its triggering which can be caused by the edge of the signal. polarization or, at any other time, by the microprocessor. Given the sampling speed, the samples temporarily stored in 1X sampler C.C.D. 15 represent the signal from the measurement stage (that is to say the relaxation curve) without loss of information.

Le registre C.C.D. 15 joue le rôle de tampon entre l'étage de mesure et le convertisseur 15 qui travaille en temps différé, à plus faible cadence (ce qui permet d'utiliser des convertisseurs courants de bas prix de revient). The C.C.D. 15 acts as a buffer between the measurement stage and the converter 15 which works in deferred time, at a lower rate (which makes it possible to use current converters of low cost price).

Dans la ligne L2, le convertisseur 18 est de même type et, par conséquent, l'échantillonnage est effectué à basse fréquence (durée des échantillons de l'ordre de : 25 microsecondes). In line L2, the converter 18 is of the same type and, consequently, the sampling is carried out at low frequency (duration of the samples of the order of: 25 microseconds).

Ainsi, la première ligne permet une résolution temporelle fine (du même ordre de grandeur que l'étage de mesu re) pendant des durées limitées par la capacité du registre 15, cependant que la seconde ligne effectue un échantillonnage permanent en temps réel, mais avec une résolution moins fine. Thus, the first line allows fine temporal resolution (of the same order of magnitude as the measurement stage) for durations limited by the capacity of the register 15, while the second line performs permanent sampling in real time, but with less fine resolution.

Le microprocesseur peut être programmé pour déclencher le registre 15 de façon à observer avec l'effet de "loupe" précité, une portion particulière de la courbe de relaxation. Ce registre 15 peut également être amené à travailler en échantillonnage permanent pour permettre l'enregistrement d'une perturbation aléatoire de la courbe de relaxation ; dans ce cas, ce registre est programmé de sorte que cette perturbation bloque le registre avec un certain retard de sorte que soit transmis au convertisseur 16 la partie de la courbe intéressante portant la perturbation. The microprocessor can be programmed to trigger register 15 so as to observe with the aforementioned "magnifying glass" effect, a particular portion of the relaxation curve. This register 15 can also be brought to work in permanent sampling to allow the recording of a random disturbance of the relaxation curve; in this case, this register is programmed so that this disturbance blocks the register with a certain delay so that the part of the interesting curve carrying the disturbance is transmitted to the converter 16.

Le microprocesseur 20 a également pour fonction de transmettre, à cadence adaptée, les échantillons codés vers des organes d'exploitation tels que table traçante, oscilloscope, ou calculateur ; il peut également effectuer des calculs simples sur ceux-ci, par exemple calcul de la valeur moyenne, soustraction de terme fixe,... The microprocessor 20 also has the function of transmitting, at an adapted rate, the coded samples to operating devices such as a plotter, oscilloscope, or computer; it can also perform simple calculations on them, for example calculation of the average value, subtraction of fixed term, ...

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux termes de la description qui précéde mais en comprend toutes les variantes. Of course, the invention is not limited to the terms of the preceding description but includes all the variants.

Claims

1 / - Device for measuring an impedance, comprising an oscillator (1) capable of delivering a carrier of determined frequency to the impedance to be measured (C), an amplifier (5) tuned to the frequency of the carrier and connected to the output of the impedance to be measured, an adjustable phase shifter (7) arranged to receive the carrier from the oscillator and adapted to deliver an adjustable phase signal relative to the signal from the amplifier, a demodulator (6) arranged to receive the signal from the amplifier and the signal from the phase shifter and adapted to deliver a signal proportional to the product of the two signals and a low-pass filter (8) arranged to receive the latter signal and to eliminate the component therefrom carrier frequency, said measuring device being characterized in that it comprises

a pulse generator (2) adapted to deliver a polarization signal having a rising (or falling) edge of predetermined shape,

a summing circuit (3) arranged to receive the signal from the oscillator (1) and the polarization signal and adapted to deliver to the impedance to be measured (C) a signal representative of the sum of these signals, this circuit summation (3) having characteristics such that it constitutes, with the oscillator (1) and the pulse generator (2), a dipole of negligible output impedance compared to the impedance to be measured, dipole equivalent to a voltage generator,

an impedance (4), having a low value, negligible compared to the impedance to be measured (C), and arranged as a bypass at the input of the amplifier (5) so as to constitute with the aforementioned dipole and l 'impedance to be measured, a measurement loop whose total impedance is substantially equal to the value of the impedance to be measured.

2 / Device for measuring an impedance, comprising an oscillator (1) capable of delivering a carrier of determined frequency to the impedance to be measured (C), an amplifier (5) tuned to the frequency of the carrier and connected to the output of the impedance to be measured, an adjustable phase shifter (7) arranged to receive the carrier from the oscillator and adapted to deliver an adjustable phase signal relative to the signal from the amplifier, a demodulator (6) arranged to receive the signal from the amplifier and the signal from the phase shifter and adapted to deliver a signal proportional to the product of the two signals and a low-pass filter (8) arranged to receive the latter signal and to eliminate the component at the frequency carrier, said measuring device being characterized in that it comprises

a summing circuit (3) arranged to receive the signal from the oscillator (1J and the polarization signal and adapted to deliver to the impedance to be measured (C ') a signal representative of the sum of these signals, this circuit summation (3) having characteristics such that it constitutes with the oscillator (1) and the generator (2) a dipole of output impedance very large compared to the impedance to be measured, dipole equivalent to a generator of current,

. the impedance to be measured (C ') being arranged as a bypass at the input of the amplifier (5) so as to constitute with the aforementioned dipole a measurement loop whose total impedance is very large compared to the value of the impedance to be measured.

3 / - Measuring device according to one of claims 1 or 2, having very short response times less than 100 nS, characterized in that

the pulse generator (2) is adapted to deliver a polarization signal whose rising (or falling) edge has a duration of less than approximately 50 nanosecons,

. the oscillator (1) is an oscillator with a frequency greater than 6 MHz,

. the amplifier 5 is adapted to present a bandwidth greater than 6 MHz at - 3 decibels,

the demodulator (6) is adapted to have a specific response time, less than approximately 50 nanoseconds,

the low-pass filter (8) is adapted to have a cutoff frequency of - 3 decibels, greater than 3 MHz.

4 / - Measuring device according to one of claims 1, 2 or 3, for measuring non-linear impedances, characterized in that the summing circuit (3) is adapted to reduce the amplitude of the carrier to a value such that the value of the impedance to be measured remains substantially constant during a period of the carrier.

5 / - Measuring device according to claim 4, characterized in that the summing circuit (3) comprises a transformer (9) having

a primary (9a) coupled to the oscillator (1) by means of a resistive divider bridge (10) adapted to lower the output impedance specific to the oscillator (1),

a secondary (9b) provided, on the one hand, with an input arranged in series with the pulse generator (2) by means of a resistive divider bridge (11) adapted to lower the own output impedance said pulse generator (2), on the other hand, an output connected to the impedance to be measured.

S / - Measuring device according to claim 5, characterized in that the aforementioned transformer (9) is produced by means of a magnetic toroid (9c) arranged to ensure constant coupling close to the unit between the primary (9a) and the secondary (9b), the primary (9a) being constituted by a small number of turns wound on said torus and the secondary by a single wire passing through the torus (9c).

7 / - Measuring device according to one of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that the demodulator (6) comprises two transformers (12, 13) with secondary (12b, 13b) at points environments, connected to a circuit (14) of four ring diodes, the phase shifter (7) being connected to the primary (13a) of one of the transformers, the amplifier (5) to the primary (12a) of the other transformer , and the low-pass filter (8), located at the outlet, connected between the midpoints of the secondary (12b, 13b), the phase shifter (7) comprising shaping means for delivering to said demodulator ( 6) a signal in the form of square slots, of sufficient amplitude to cause the diodes to operate in switching mode.

8 / - Device according to one of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, for measuring a capacity, characterized in that the phase shifter (7) is adjusted to deliver a signal in phase with the component capacitive signal from the amplifier (5).

9 / - Device according to one of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8, characterized in that it comprises, at the outlet of the low-pass filter (8), processing means of the signal, adapted to memorize it in digital form.

10 / - Device according to claims 3 and 9 taken together, characterized in that the processing means comprise a rapid sampler (15) constituted by an analog shift register with charge transfer (C.C.

D.) programmed to work in real time, an analog / digital converter (16), adapted to convert in digital form, in delayed time, the samples from the register (15), and a digital memory (17) arranged to store the digitized information from the converter (16).

11 / - Device according to claim 10, characterized in that the processing means comprise, in parallel with the sampler (15), the converter (16) and the memory '(17) above, a second analog / digital converter (18) adapted to perform sampling, and a second memory (19) adapted to store the digital information from said second converter, a laicroprocessor (20) being associated with said processing means for receiving the digital information from the two memories (17 and 19) and for control the operating sequences of said processing means.