Модуль E20-10 в задачах измерения шумовых сигналов при испытании светодиодов

Внедрение: 2014 г.

Вашему вниманию предлагаем два примера применения модуля E20‑10 для измерения шумовых сигналов. Примеры взяты из диссертации [1], посвящённой измерению шумовых характеристик светодиодов с целью диагностики их качества. Детализацию схем измерения здесь опускаем, но при необходимости Вы можете обратиться к первоисточнику для уточнения деталей реализации. 

Аппаратно-программный комплекс (АПК) для измерения вероятностных характеристик флуктуаций тока накачки светодиодов

АПК позволяет измерять стандартные вероятностные характеристики шума (математическое ожидание, дисперсия, СКЗ, авто- и взаимная корреляционные функции, спектральная плотность мощности) в диапазоне частот 10 Гц – 150 кГц, а также строить функции распределения выбросов шумового сигнала по амплитуде и по длительности.

Структурная схема АПК для измерения вероятностных характеристик низкочастотных электрических шумов гетеропереходных светодиодов приведена на рисунке 1. Аппаратная часть комплекса содержит два канала – электрический и оптический.
Электрический канал состоит из регулируемого источника тока, согласующего трансформатора, генератора низкочастотного шума Г2‑37 и нановольтметра Unipan 233. Исследуемый светодиод VD1 включается в цепь регулируемого источника тока, который позволяет задавать ток накачки светоизлучающих диодов (СИД) в диапазоне 0‑0,5 А. 

Рисунок 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса для измерения вероятностных характеристик электрических и оптических шумов светодиодов.

Оптический канал АПК составлен из фотоприемного устройства и нановольтметра Unipan 233. В качестве фотоприемного устройства использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ‑112.

Идентичность каналов АПК обеспечивает возможность исследования корреляционных связей между шумами тока накачки и флуктуациями интенсивности излучения светодиода.

К линейному выходу нановольтметра Unipan 233 подключается внешнее микроконтроллерное устройство сбора данных Е20‑10 производства фирмы L-Card, используемое в качестве регистрирующего устройства. Модуль Е20‑10 позволяет производить непрерывный сбор данных по двум каналам посредством коммутируемого 14‑разрядного АЦП с частотой дискретизации до 5 МГц на канал. Оцифрованные данные передаются в компьютер и сохраняются в файл, после чего производится соответствующая обработка.

В результате исследований с применением данного АПК впервые было показано, что распределение выбросов НЧ шума гетеропереходных СИД по уровню подчиняется нормальному закону, а распределение выбросов НЧ шума по длительности имеет пуассоновский характер.

Установка для измерения импеданса двухполюсника с применением шумового тестового сигнала

Установка реализует способ измерения частотной зависимости импеданса двухполюсника с применением широкополосного шумового тестового сигнала, который позволяет сократить время измерения параметров многоэлементных двухполюсников. По сравнению со стандартными измерителями импеданса, использующими гармонический тестовый сигнал и перестройку по частоте в диапазоне ΔF, выигрыш по времени сканирования с использованием шумового тестового сигнала в случае фиксированного разрешения по частоте Δf составляет ΔF/Δf .

Структурная схема установки изображена на рисунке 2. Установка состоит из генератора шума, источника напряжения смещения, сумматора, усилителя напряжения, модуля сбора данных Е20‑10 и компьютера.

Рисунок 2. Структурная схема установки для измерения частотных зависимостей модуля и фазы импеданса двухполюсника.

Генератор шума выполнен на основе стабилитрона BZX79С10, работающего в режиме развитого лавинного пробоя, и усилительного каскада на транзисторах КТ315А и 2Т903А, обеспечивающих требуемое усиление шумового сигнала. Спектр шумового сигнала на выходе генератора шума представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Спектр шумового сигнала на выходе генератора шума.

В качестве источника напряжения смещения используется регулируемый источник напряжения Matrix MPS‑6003. Сумматор выполнен на операционном усилителе КР140УД2А, включенном по схеме сумматора напряжений. Усилитель напряжения выполнен на операционном усилителе КР544УД2А.

На рисунке 4 (в центре и справа) представлены графики экспериментально измеренных частотных зависимостей модуля и фазы импеданса двухполюсника (обозначены точками) и теоретических зависимостей (обозначены сплошной линией) с учетом значений параметров R1, R2, С. Из графиков видно, что экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами.

Рисунок 4. Принципиальная электрическая схема исследуемого двухполюсника (слева); частотные зависимости модуля (в центре) и фазы (справа) импеданса трехэлементного двухполюсника со значениями параметров R1 = 272,2 Ом; R2 = 50,5 Ом; C = 550 нФ.

Разработанная установка может быть использована не только для измерения параметров двухполюсников, составленных из дискретных элементов, но и для измерения параметров эквивалентной схемы полупроводниковых диодов, включенных в прямом направлении.
Описанным способом исследованы гетеропереходные светодиоды красного свечения типа XRC‑RED фирмы Cree. Результаты измерения |Z(f)| при нескольких токах накачки СИД представлены на рисунке 5. В соответствии с алгоритмом, изложенном в диссертации, проведены расчеты токовых зависимостей дифференциального сопротивления R_Д и диффузионной емкости C_ДИФ (рисунок 6).

Рисунок 5. Частотные зависимости модуля импеданса СИД Cree XRC-RED при различных токах, измеренные шумовым тестовым сигналом.

Рисунок 6. Токовые зависимости дифференциального сопротивления (слева) и диффузионной емкости (справа) светодиода Cree XRC‑RED.

Источник:
Фролов И.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Средства измерения малосигнальных и шумовых параметров светоизлучающих диодов для целей диагностики их качества». – Ульяновск. – 2014. –169 с.

Разработчик: Фролов Илья Владимирович (Ульяновский государственный технический университет)