NO813794L - Komponent med trimbar elektrisk impedans. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk komponent bestående av fordelte RC-strukturer, og frembringer en trimbar resistiv-kapasitiv impedans, dvs. en trimbar, kompleks impedansanordning eller en stubb.

Ifølge teknikkens stilling er det kjent motstander, kon-densatorer og induktanser som trimbare elektriske komponenter. For å oppnå en kompleks impedans er det blitt anvendt parallell-ener seriekoplinger av de ovennevnte komponenter eller fordelte RC-strukturer. Men en trimbar kompleks impedans er hittil ikke blitt frembrakt, og trimmingen utføres, i tilfeller hvor den er uunngåelig, ved suksessive trimminger av en motstand og en kondensator som er parallell- eller seriekoplet, hvorved trimmingene foregår på forskjellige tidspunkter.

Idet moderne elektroniske kretser ofte er utført som integrerte filmkretser, såsom tykkfilms- eller tynnfilmskretser, hvor bare én komponent kan trimmes om gangen, bare permanent og bare i én retning, er trimmingen av en kompleks impedans eller generelt trimmingen av en elektrisk krets ved forandring av den komplekse impedans, meget vanskelig. Det er årsaken til at man allerede på designstadiet søker løsninger hvor et ønsket kjennetegnende trekk ved kretsen ville kunne justeres ved trimming av bare én motstand, dvs. den resistive impedans.

Den fordelteRC-struktur som er basis for den foreliggende oppfinnelse er f.eks. blitt presentert i en artikkel av W.M. Kaufmann: "Theory of monolithic null device and some novel circuits", p_ 1540-1545, Proe. IRE, september 1960, samt i britisk patentskrift 1.149.764.

Nevnte britiske patentskrift vedrører to skrittkretser (notch circuits). I denne sammenheng kan det imidlertid ikke refereres til trimming av en kompleks impedans. Det første . skrittfilter består av en koaksial kraftledning hvortil det er koplet en jordingsmotstand. En god leder i midten av koaksialkraftledningen er omsluttet av et isolasjonslag som på sin side er omsluttet av et ytre motstandslag. Skrittkretsen trimmes ved gradvis avkorting av kraftledningen inntil den ønskete skrittfrekvens er oppnådd.

Det påpekes i samme publikasjon at det kan anvendes en planarstruktur istedenfor koaksialkraftledningen. Det må imidlertid iakttas at den ovenfor beskrevne skrittkrets ikke kan fremstilles med en nøyaktig frekvens på grunn av den statistiske divergens for RC-produktet i RC-strukturen dannet av kraftledningen. Dessuten må trimmingen foregå før tilkopling av tilkoplings trådene.

I ovennevnte britiske patentskrift er det også omtalt et trimmerliknende, regulerbart skrittfilter. I dette kan verdiene for de to komponenter, den resistiv-kapasitivekomponenten og motstandskomponenten, reguleres reversibelt og parallelt ved anvendelse av en sleid. Men fremstillingen av en slik krets er vanskelig på grunn av det nødvendige forhold 17,8 mellom kom-ponentenes spesifikke motstander ikke kan oppnås på en tilfredsstillende måte. Kretsen funksjonerer derved ikke på ønsket måte. Dessuten ville det være umulig å anvende en slik krets i integrerte kretser.

Forskjellige typer elektriske kretser er kjent fra US-patentskrift 3.109.983. Fremstillingen av disse kretser har ikke vært mulig i praksis på grunn av at produksjonsavvikelsene av deres fordelteRC-strukturer ikke kan elimineres ved trimming av bare motstanden eller bare kondensatoren. Den trimbare impedansanordning ifølge den foreliggende oppfinnelse muliggjør prak-tisk produksjon av disse kretser også, et faktum som er bekreftet av forskjellige forsøk.

Det er klart at det er behov for en komponent hvor både motstandsdelen og kapasitansdelen i impedansen forandres sam-tidig på en helt forutbestembar måte og ved hjelp av en eneste trimmeoperasjon. Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en komponent med en trimbar elektrisk impedans,

dvs. en stubb. Dette er oppnådd ved hjelp av de kjennetegnende trekk ved oppfinnelsen, som fremgår av hovedkravet.

Tidligere har det ikke vært mulig å frembringe en komponent hvis impedans kunne trimmes på en nøyaktig og forutbestembar måte. Fordelene med komponenten ifølge oppfinnelsen er fremfor alt nøyaktigheten av trimmingen og muligheten til å beregne kretsens karakteristikker nøyaktig og på forhånd. Disse fordeler er be-merkelsesverdige, særlig når komponenten er en del av en inte-grert krets.

Følgende figurer blir benyttet for å illustrere oppfinnelsen:

Fig. 1 viser den fordelte RC-struktur i perspektiv.

Fig. 2 viser et langsgående snitt gjennom RC-strukturen i fig. 1. Fig. 3 viser et analogt kretsdiagram av den fordelte RC-struktur i fig. 1.og 2.

Fig. 4 viser symbolet som benyttes for RC-strukturen.

Fig. 5 viser kretsdiagrammet for konstruksjon av stubben.

Fig. 6 viser stubbens fysikalske struktur.

Fig. 7 viser et tverrsnitt gjennom en kortsluttet RC-struktur.

Fig. 8 viser et tverrsnitt gjennom en åpen RC-struktur.

Fig. 9 viser den fysikalske struktur av en fremstilt stubb.

Fig. 10 viser symbolene for en stubb.

Fig. 11 viser prinsippet for trimming av stubben.

Fig. 12 viser selve trimmingen.

Fig. 13 viser den re justerbare stubb.

Fig. 14 viser et båndstrupefilter eller en skrittkrets.

Fig. 15 viser anvendelse av stubben til frembringelse av

et båndstrupefilter.

Den fordelte RC-struktur i fig. 1, som danner basis for stubben, består av et ledende lag eller sekundært av et motstandslag 11, hvorpå det er anbrakt et isolerende lag 12 og et motstandslag 13 som er elektrisk forbundet med endeledere 131 og 132. I de fleste tilfeller er filmen 11 fremstilt av en meget god elektrisk leder. Fremstillingen av denne struktur er generelt kjent, og noen spesielle fremgangsmåter er beskrevet, f.eks. i US-patentskrift 3.665.346 og DE-patentsøknad 2.714. 034. Fig. 2 viser et langsgående snitt gjennom RC-strukturen. Fig. 3 viser et analogt kretsdiagram for den fordelte RC-struktur i fig. 1 og 2. Fig. 4 viser symbolene for den. Laget 11 som er forbundet med endelederen 11 benevnes et grunnplan. Dessuten benevnes strukturen åpen dersom alle endeledere 131, 132 og 111 ikke er koplet til hverandre. Dersom en av endelederne 132, 132 og motstandslaget 14 er koplet til grunnplanet 11 eller til dettes endeleder 111, benevnes strukturtypen kortsluttet.

Når tynnfilmsteknologi benyttes for frembringelse av en fordelt RC-struktur er tykkelsen på lagene 11, 12 og 13 vanligvis mindre enn en mikrometer, mens den varierer mellom 5 og 50 mikrometer når det benyttes tykkfilmsteknologi.

Teoretiske beregninger har vist at den åpne, fordelteRC-struktur kan frembringe impedanser hvis fasevinkel vil variere fra 43 til 90°. En. kortsluttet struktur er i stand til å frerrcr-bringe impedanser hvis fasevinkel vil variere fra 0 til 47°. Etter at den nødvendige fasevinkel er oppnådd, kan impedansens absolutte verdi oppnås ved forandring av formen og målene på strukturene i fig. 1. Med en åpen struktur avtar ikke impedansens absolutte verdi mer enn i forhold tiløkningen av frekvensen og ikke mindre enn i forhold til kvadratroten av økningen av frekvensen. Den tilsvarende minskning for den kortsluttede struktur foregår høyst avhengig av økningen av kvadratroten av frekvensen.

Således kan én fordelt RC-struktur frembringe én impedans, og bare ved én frekvens. En impedans av denne type kan ikke trimmes. En trimbar impedans kan imidlertid frembringes ved hjelp av den integrerte forbindelse av de fordelte RC-strukturer ifølge oppfinnelsen, som behandles i det etterfølgende ved anvendelse av de inverse av impedansene, dvs. admittansene. De ovennevnte fasevinkler er gyldige som sådanne for admittansene, og admittansene øker sammen med frekvensen i samme forhold som impedansene avtar som beskrevet ovenfor.

Utførelsen av stubben er vist i fig. 5-9. Det etter-følgende er et eksempel for å klargjøre fremgangsmåten til fremstilling av en stubb. Frekvenser f^, f^ , f^, f^represen-terer like eller forskjellige vekselstrømfrekvenser. De ønskete admittanser ved disse frekvenser er tilsvarende Y^, Y^, Y^ og Y^. En fordelt RC-struktur 231 i fig. 5 er utformet slik at dens admittans ved frekvensen f^vil være Y-^. Deretter beregnes admittansen Y^ f°r strukturen 231 ved frekvensen f2»Dersom denne er mindre enn den nødvendige Y^ved denne frekvens, til-føyes det en fordelt RC-struktur 232 med egnete dimensjoner mellom punktene 21 og 22, dvs. ved siden-av strukturen 231, for å eliminere differansen Y2- ^' 2' Pa denne måte oppnås det ett frekvensadmittanspar om gangen mens det alltid tas hensyn til tidligere strukturer, inntil alle frekvenser er behandlet eller inntil oppgaven synes uoppnåelig, noe som av og til kan være tilfellet. Generelt er det mulig å. frembringe stubben dersom både motstandsdelen og den kapasitive del av admittansen som skal frembringesøker eller avtar med frekvensen.

De tilføyete strukturer 231, 232, 233 og 234 er enten åpne (fig. 8) eller kortsluttede (fig. 7), avhengig av fase-vinklene for deres admittanser. Idet de alle har et felles grunnplan 221 og et felles isolasjonslag 12, kan de fremstilles som en kontinuerlig struktur ved anvendelse av laget 221 som et grunnplan. For å unngå den elektriske vekselvirkning mellom strukturene 231, 232... i stubben, som er koplet til det ledende bånd 211, er det utformet spalter 141, 142... mellom dem som.vist i fig. 6. Når stubben nabodeler 231, 232... har omtrent samme lengde, noe som vanligvis er tilfellet, kan de forenes uten noen betydelig feil, til dannelse av en kontinuerlig struktur ifølge fig. 9, hvor tallet 13 er vedkommende motstandslag og tallet 12 er isolasjonslaget. I den kortsluttede struktur (fig. 7) krysser motstandslaget 13 kantene på isolasjonslaget 12 og er derved elektrisk forbundet med grunnplanet 221, som vist i profil.

Nøyaktigheten for ledningen 2 30 i motstandslaget motsatt drivpunktet 211 for stubben kanøkes ved å velge flere frekvens-punkter. Dersom dette gjøres antar ledningen en mer hyppig avtrapping. Når avtrappingen er tilstrekkelig hyppig kan den jevnes ut slik at det oppnås en kurvelinje uten feil. Stubben trimmes ved å kutte den fra dens sist tilføyete struktur, som er 234 i eksemplet ovenfor, slik at laget 13 blir fjernet eller avskåret, eller hele strukturen er avskåret, hvorved kuttet er vinkelrett på lederen 221 i drivpunktet, som vist i fig. 11. Når motstandslaget 13 i stubben fjernes sammen med A20^-par-tikler 5 i en luftslipetrimmer 4, som er en vanligste trimmetode for filmmotstander sammen med laserskjæring, forandres admittansen, som måles mellom stubbens ender, etter linjen A som vist i fig. 12. Der er en klar forskjell mellom dette og mot-stands trimming. I den sistnevnte beveger admittansen seg etter den reelle akse Re. Ved kondensatortrimming beveger admittansen seg derimot etter den imaginære akse Im.'1 Det kan således sies at en måling som er utført under avkorting av stubben svarer til separate målinger, dvs. trimming av både en motstand og en kondensator, og disse to sogar til den nødvendige størrelse. Dersom det erønskelig å frembringe en admittans som skal trim mes etter kurven B, oppnås dette ved å gi stubben en tilsvarende form.

Trimmingen kan utføres reversibelt med arrangementene i fig.

13. Stubbens forskjellige deler 231, 232 etc. fremstilles slik at de ikke vil påvirke hverandre gjensidig elektrisk. I praksis betyr dette at motstandslaget 13 og det ledende bånd 212

i drivpunktet er utkoplet mellom forskjellige deler (f.eks. fig. 6) . Trimmingen eller forbindelsen av delene i den 'forlangte struktur samt utkoplingen utføres på enkel måte ved å anvende sleiden 213 som leder strøm og som kan koples parallelt med det ledende bånd 212, idet sleiden er skikkelig understøttet. Ved å konstruere denne type stubbe i form av sirkel vil det oppnås en potensiometerregulerende, kompleks impedans.

Idet stubben kan karakteriseres slik at dens kjennetegnende trekk ikke forandrer seg mer enn 0,1% med tiden og temperaturen, kan den anvendes ved konstruksjon av forskjellige kretser, såsom oscillatorer, filtre og attenuatorer. Et bånd-strupef ilter er vist i fig. 14 som en anvendelse av dette. Fremstillingen av dette filter har ikke lykkes på en tilfredsstillende måte selv om det har vært gjort anstrengelser siden 1960. Årsaken til at man har mislykkes skyldes at det ikke har vært mulig å trimme filterets stoppefrekvens, som er den karakteris-tikk det oftest er behov for, ved bare å forandre verdien på motstanden eller kondensatoren. Idet dette er situasjonen, vil stoppefrekvensen avhenge av fordelingen ved fremstillingen av den fordelte RC-strutur 1.

Mellom kretsens inngang 31 og utgang 32 hindres overføringen av vekselstrømmen fullstendig ved frekvensen 1,78/RC, hvor R er den totale resistans mellom den fordelte RC-strukturs endeledere, og C er det isolerende lags 12 totale kapasitans mellom grunnplanet 11 og motstandslaget 13, dersom verdien av motstanden 33 er nøyaktig like stor som verdien av den fordelte resistans dividert med 17,8. Problemet er at da har vrakings-frekvensen samme statistiske divergens som det fordelte RC-produkt, noe som i praksis betyr at de er fordelt innenfor

5-20% på begge sider av den ønskete verdi.

Men kretsens stoppefrekvens kan reguleres kontinuerlig ved at kpasitans-resistansadmittansen 34 koples parallelt med motstanden 33 som vist i fig. 15. Ved beregning av verdiene for denne, admittans svarende til forskjellige stoppefrekvenser og utforming av dem som en stubb, oppnås det en krets hvis stubb-frekvens kan trimmes ved avkorting av stubben. Attenuasjonen av stoppefrekvensen kan trimmes fra motstanden 33. Det er fremstilt en serie kretser hvis stoppefrekvens kunne trimmes 28%

i forhold til verdien 1,78/RC.

Beskrivelsen ovenfor er bare et eksempel på tilpasning

og anvendelsen av stubben ved trimming av en elektronisk krets. Elektriske komponenter' av forskjellige typer kan forbindes med stubben slik at den ønskete trimming av impedansen (admittansen) kan utføres med stubben ifølge den foreliggende oppfinnelse. Kretsen kan således modifiseres med kjente komponenter koplet

til stubben og andre punkter i kretsen for å gjøre stubben mest mulig egnet' for den nødvendige trimming av kretsen.

Claims (6)

1. Elektrisk komponent bestående av fordelte RC-strukturer, dvs. en stubb som frembringer resistiv-kapasitiv impedans, karakterisert ved at den omfatter en parallell-forbindelse av fordelteRC -strukturer med rektangulær eller lignende form, bestående av leder-, isolerende og motstandslag anbrakt oppå hverandre, hvor kortsluttede (fig. 7) og åpne (fig. 8) strukturer med forskjellige lengder og bredder danner en kontinuerlig komponent, hvor de forskjellige strukturer er utformet som en trinnvis form av grenselinjen (230) motstående komponentens drivpunkt (211) eller i dens utglattede form og som en elektrisk tilkopling eller fråkopling mellom motstandslaget (13) og grunnplanet (221) på forskjellige punkter på grenselinjen.

2. Fremgangsmåte for stubben ifølge krav 1, karakterisert ved at mens den frembringer ønsket admittans (Y^) ved ønsket frekvens (f-^) for vekselstrømmen i visse lengder av motstandslaget (13) i den første fordelte RC-struktur (f.eks. 231 i fig. 5 eller fig. 8) frembringer den også en annen admittans (Y^) ved en annen frekvens (f2 ), og dersom den derved oppnådde admittans er mindre enn den forlangte admittans (Y2 ) tilfø yes det en andre fordelt RC-struktur (232) med egnet størrelse parallelt med den første fordelte RC-struktur (231) for å eliminere differansen (Y^~ Y^), og at trimmingen som er beskrevet ovenfor kan utføres trinn for trinn for at-skillige admittansverdier.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at trimmingen kan utføres kontinuerlig i et visst admittansområde.

4. Komponent i samsvar med krav 1, karakterisert ved at trimmingen som blir utført ved avkorting av komponenten blir utført ved fjerning eller fråkopling av ett eller flere lag, at endelinjen på den gjenværende struktur er vinkelrett på det ledende bånd (211) på drivpunktet, og at den del av den gjenværende struktur som befinner seg på den fjernete side av endelinjen ikke vil påvirke komponentens elektriske egenskaper.

5. Komponent i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den er reversibelt trimbar ved til- eller fråkopling av det nødvendige antall strukturer ved hjelp av en sleid (213) som beveger seg parallelt med endelinjen og som er innrettet til å kortslutte delene i stubben fra dens start-punkt (23) til dens endepunkt (24) på sleiden, og at trimmingen er mulig når de fordelte RC-strukturer (231,232 etc.) som danner stubben er konstruert på en slik måte at de er elektrisk isolert.

6. Anvendelse av stubben i krav 1 som del av et båndstrupefilter som består av en distribuert RC-struktur (1 fig. 14) og en jordmotstand (33), karakterisert ved at stubben (34 i fig. 15) er parallellkoplet med motstanden (33).