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In diesem Abschnitt werden einige allgemein anwendbare Meßmethoden beschrieben, die für die meisten analogen IC\'s wichtig sind.
2.2.1 Ein- und Ausgangswiderstandsmessungen
Eine einfache Betragsmessung kann hier aus der Vierpoltheorie abgeleitet werden.
Bild 2.1 Prinzipschaltung für die Messung von reellen
Ein- und Ausgangswiderständen
Annähernd reelle Widerstände lassen sich mit dieser Methode schnell bestimmen. Über einen Vorwiderstand RV wird ein Steuersignal Ug an den Eingang gelegt. Entsprechend den Anforderungen kann dies Gleich- oder Wechselspannung sein. Aus dem Verhältnis Ug zu Ui kann man den Eingangswiderstand bestimmen:
Ri = RV Ui / (Ug - Ui)
In gleicher Weise kann auch der Ausgangswiderstand bestimmt werden. Für einen gewählten Arbeitspunkt wird die Ausgangsspannung im unbelasteten (Uq0) und im belasteten (UqL) Zustand gemessen. Rq ergibt sich aus der Spannungsteilung aun Rq und RL.
Rq = RL (Uq0 - UqL) / UqL
Wenn bei einem Schaltkreis die Ausgangsspannung proportional zur Eingangsspannung ist, kann der Eingagswiderstand auch dann gemessen werden, wenn nicht am Eingang, sondern am Ausgang gemesssen wird. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn mit sehr kleinen Eingangsspannungen gearbeitet werden muß. Der Eingangswiderstand läßt sich aus den Ausgangsspannungen Uq1 (S2 offen) und Uq2 (S2 geschlossen) berechnen.
Ri = RV Uq1 / (Uq2 - Uq1) - Rg
2.2.2 Messung von komplexen Ein- und Ausgangswiderständen
Bei monolithisch integrierten Schaltkreisen treten in erster Linie kapazitive Blindanteile auf. Die Kapazitäten liegen für die Eingänge meist unter 10pF und für die Ausgänge, abhängig von der Ausgangsleistung (d.h. der Größe der Ausgangstransistoren), zwischen 5 und 50pF. In der NF-Technik sind diese Anteile meist vernachläßigbar, in der HF-Technik sind sie aber von großer Bedeutung. Induktive Blindanteile, die vor allem durch die Anschlüße hervorgerufen werden spielen erst im GHz-Bereich eine Rolle.
Bild 2.2 Prinzipschaltung zur Messung von komplexen
Widerständen
Das Prinzip der hier angegebenen Verstimmungsmethode, beruht darauf, daa bei einem LC-Schwingkreis, bei dem L oder C bekannt ist, aus der Resonanzfrequenz f0 und der Bandbreite B Wirk- und Blindanteil bestimmt werden können.
Bei einem Schwingkreis ist die Kreisfrequenz
0 = 1/LC
die Güte
Q = f0 / B = R 0C
woraus sich die Wirkkomponente ergibt als
R = 1 / 2 BC
Das Meßobjekt wird dabei an einen bekannten Schwingkreis angeschlossen. Aus den Änderungen der Resonanzfrequenz (Schwingkreiskapazität) sowie der Bandbreite werden Wirk- und Blindanteile bestimmt. Besonders vorteilhaft ist, daa die Messungen bei der Anwendungsfrequenz durchgeführt werden können. Da die Güte bei reale Schwingkreisen frequenzabhängig ist, müssen die Messungen zur Bestimmung der Wirkanteile bei konstanter Induktivität und Frequenz durchgeführt werden.
Meßablauf:
1. Den Generator auf die gewünschte Frequenz f0 einstel len.
2. Mit dem Abstimmkondensator CA den Kreis ohne Meßobjekt auf die Resonanzfrequenz einstellen (Amplitudenmaximum)
3. Die Bandbreite B1 mittels der -3dB-Punkte ermitteln
4. Die Abstimmkapazität CA1 messen
5. Das Meßobjekt anschließen; mit CA wieder auf Resonanz einstellen.
6. Die neue Bandbreite B2 ermitteln
7. Die neue Abstimmkapazität CA2 messen
Aus CA1 und CA2 wird die Eingangskapazität berechnet
Ci = CA1 - CA2
Der reelle Eingangswiderstand wird aus den Verlustwiderstände RK1 und RK2 als
1 / Ri = 1 / RK2 - 1 / RK1
berechnet.
Durch die verwendete Substitutionsmethode wird der Fehler bei der Eingangskapazitätenmessung hauptsächlich durch die Genauigkeit der Messung von CA bestimmt. Die Eingangskapazität des Voltmeters wird dabei eliminiert.
Die Messung der Ausgangsimpedanz kann sinngemäa genauso erfolgen. Da hierbei die Ausgangswiderstände jedoch meist niederohmig sind, wird die Widerstandsbestimmung ungenauer, da dann die Resonanzkurve durch die höhere Bedämpfung des Schwingkreises flacher verläuft und bereits im flachen Teil der Resonanzkurve gemessen wird.
2.2.3 Messung von kleinen Strömen
Im Laboraufbau können Ströme bis in den pA-Bereich noch gut beherrscht werden. Hierzu werden am Markt Geräte mit einer Auflösung bis zu 10-15 A angeboten. Unter Beachtung der Widerstandsverhältnisse von Meßobjekt und Meßgerät sind mit diesen Geräten durchaus gute Ergebnisse zu erzielen.
Probleme treten aber dann auf, wenn solche Messungen automatisiert werden sollen. Besondere Schwierigkeiten berei
ten dabei das Kontaktieren, die Kapazität der Zuleitungen
Bild 2.3 Prinzipschaltung der Eingangsstrommessung durch
Zeit-Spannungsmessung
und Störeinstrahlungen. Diese Schwierigkeiten treten besonders bei zentralisierten Meßsystemen mit den notwendigen langen Zuleitungen auf. Hier ist es meist günstiger, statt der echten Strommessung eine korrelierte Zeit-Spannungs-Messung durchzuführen, da Zeitmessungen meist schnell und ohne große Fehler durchgeführtr werden können.
Das Prinzip der dargestellten Messung beruht auf der Ermittlung der Ladungsänderung eines mit dem Eingang verbundenen Kondensators. Der FET-OP dient als Buffer und soll einen Eingangsstrom haben, der im Vergleich zum zu erwartenden Meßstrom vernachläßigbar ist. Da der Eingangsstrom IE von der Eingangsspannung UE abhängt, mua der Kondensator auf den Arbeitspunkt vorgeladen werden. Nach Öffnen des Schalters wird der Kondensator durch den Eingangsstrom entladen. Die Spannungsänderung UC während einer Zeitspanne T wird ermittelt. Für UC |
