Приборы и техника эксперимента, 2023, № 1, стр. 62-65

ОПИСАНИЕ СТЕНДА

В Институте ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера разработан и изготовлен автоматизированный многофункциональный стенд для массового измерения характеристик PIN-фотодиодов [1]. Стенд состоит из независимых цепей измерения тока и емкости фотодиодов (ФД). Блок-схема стенда приведена на рис. 1. ФД подключаются к плате через штыревое соединение PLLD1.27-40R. Для контроля установлен эталонный ФД. Положительное напряжение смещения подается одновременно на катоды всех ФД от внешнего источника питания. Все аноды при этом подключены к нулевому потенциалу через управляемые ключи на полевых транзисторах (рис. 2). Для проведения измерений аноды ФД по очереди отключаются от нулевого потенциала и подключаются ко входу измерительной цепи. Такое решение позволяет избежать быстрого перетекания зарядов в момент переключения, так как разность потенциалов на ФД практически не изменяется. Стенд использует двухступенчатый источник питания. AC-DC-блок питания работает от переменного напряжения 220 В и выдает постоянное напряжение +15 В. Вторая ступень при помощи DC-DC-преобразователей и линейных стабилизаторов формирует необходимый набор напряжений для питания контроллера, усилителей и коммутатора (±2.5 В, ±5 В, +10 В).

Рис. 1.

Блок-схема автоматизированного многофункционального стенда для массового измерения характеристик PIN-фотодиодов.

Рис. 2.

Схема подключения фотодиодов и коммутатора.

Схема измерения темнового тока подключается к катоду исследуемого диода через резистор сопротивлением 1 МОм (рис. 3), а схема измерения емкости – через конденсатор емкостью 1 мкФ (рис. 4). Выбранные номиналы позволяют надежно разделить постоянную и переменную составляющие тока. На выходе каждой измерительной цепи формируется постоянное напряжение, которое оцифровывается встроенным в управляющий контроллер АЦП.

Рис. 3.

Схема канала измерения темнового тока ФД.

Рис. 4.

Схема канала измерения емкости ФД.

Схема измерения темнового тока (см. рис. 3) собрана на основе двухкаскадного операционного усилителя (ОУ) AD8602. Темновой ток поступает на инвертирующий вход ОУ и компенсируется током, поступающим из цепи отрицательной обратной связи (ООС) через резистор сопротивлением 20 МОм. Второй каскад ОУ дополнительно усиливает сигнал в 25 раз. Коэффициент преобразования темнового тока в напряжение составляет 500 мВ/нА.

Для измерения емкости ФД (см. рис. 4) от внешнего генератора подается синусоидальное напряжение 1 В с частотой 1 МГц. Обусловленная емкостью ФД переменная составляющая тока поступает на инвертирующий вход ОУ AD8065 и компенсируется током, поступающим из цепи ООС через конденсатор емкостью 100 пФ. На втором каскаде сигнал дополнительно усиливается в 20 раз и поступает на линейный однополупериодный выпрямитель на основе ОУ AD829 и интегрирующей RC-цепи с постоянной времени 4.4 мс. Постоянное напряжение на выходе пропорционально емкости ФД с коэффициентом 0.15 В/пФ. Диапазон измерения емкостей можно увеличивать при помощи установки конденсатора большего номинала в цепи ООС усилителя AD8065.

Для измерения отклика на световой сигнал используется схема измерения темнового тока. Исследуемый ФД облучается светодиодом одновременно с эталонным (в конкретной реализации используется ФД Hamamatsu S10993-05GT [2]), и его чувствительность рассчитывается из отношения сигналов. Такой подход позволяет измерять чувствительность ФД в диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм, используя светодиоды с разными спектрами излучения. В отличие от измерений темнового тока и емкости, которые проводятся для каждого ФД, отклик на световой сигнал контролируется выборочно для нескольких ФД из партии. Поэтому для удобства работы и возможности использования больших сигналов была изготовлена упрощенная версия стенда – без цепи измерения емкости и с меньшей на 4 порядка чувствительностью.

УПРАВЛЕНИЕ СТЕНДОМ

Управление стендом осуществляется при помощи встроенного контроллера, в качестве которого используется готовая плата Arduino Mega 2560 [3]. Плата имеет необходимое количество цифровых выходов для управления транзисторными ключами, 10-битный АЦП с диапазоном входных напряжений от 0 до 5 В и несколько аналоговых входов. Управление коммутатором осуществляется при помощи цифровых выходов платы контроллера, которые задают состояние ключей. Уровни сигналов для управления ключами передаются в контроллер от компьютера. Сигналы с выходов каналов измерения поступают на аналоговые входы и коммутируются на вход АЦП.

Для управления платой Arduino написана программа для контроллера ATmega2560 [4]. Для прошивки использовались встроенный в плату программатор и IDE Arduino. Были определены 34 цифровых выхода для управления коммутатором на полевых транзисторах (по 2 вывода на каждый из 16 + 1 каналов ФД) и 2 аналоговых входа для измерения емкости и темнового тока. Были написаны функции доступа к этим выводам. На цифровых выводах состояние “1ˮ включает, а “0ˮ выключает соответствующие полевые транзисторы в коммутаторе. Аналоговые выводы подключаются к встроенному в микроконтроллер АЦП. Измеренные значения передаются в персональный компьютер (ПК) для вычисления параметров. Для большей автономности и универсальности подключения к разным компьютерам использован USB-интерфейс, через который эмулируется работа COM-порта.

Программа на ПК, написанная на языке C++ [5], управляет режимами работы стенда: включает его в режим измерения емкости или режим измерения темнового тока, переключает коммутатор каналов. Также она позволяет проводить необходимые измерения, вычислять значения измеряемых величин с использованием калибровочных параметров и сохранять данные в файл. Вместе с измеренными данными в файл записываются отметки о текущем времени измерений и комментарии. В данной программе есть возможность изменять следующие настройки: величины максимальных и минимальных допустимых значений, калибровочные коэффициенты, название порта для подключения стенда к компьютеру, а также настройки подключения к ПК.

КАЛИБРОВКА СТЕНДА

Для калибровки канала измерения темнового тока была измерена зависимость выходного напряжения от входного тока. Для этого на вход стенда было подано постоянное напряжение через резистор сопротивлением 2 ГОм, т.е. 1 В соответствует току 0.5 нА. Изменяя напряжение на входе от 0 до 10 В, мы получили линейную зависимость и определили уточненный коэффициент преобразования тока в напряжение. В стенде, предназначенном для проверки отклика на световой сигнал, калибровка канала измерения тока проходила аналогично, только калибровочный ток подавался через сопротивление 200 кОм.

Для калибровки канала измерения емкости были измерены 4 конденсатора с известными номиналами. По результатам калибровки определена чувствительность стенда – 6.7 пФ/В.

С целью проверки стенда были измерены параметры фотодиода Hamamatsu S10993-05GT. Полученные значения в пределах точности измерения согласуются с паспортными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданы два автоматизированных многофункциональных стенда для массового измерения характеристик PIN-ФД. Один стенд позволяет прецизионно измерять темновой ток и емкость ФД при поданном обратном смещении, второй – предназначен для проверки отклика на световой сигнал, рассчитан на больший входной ток и оборудован светодиодом со светофильтром.

Были достигнуты следующие характеристики:

– диапазон измерения темнового тока от 0 до 5 нА c точностью 0.05 нА;

– диапазон измерения емкости от 0 до 30 пФ при точности 0.15 пФ;

– относительная точность измерения отклика на световой сигнал 2%;

– время измерения параметров 16-ти ФД составляет 2 мин;

– дрейф составляет не более 1 младшего значащего разряда АЦП за 80 мин.