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阻抗测量基础

发布时间:2018-06-27 责任编辑:wenwei

【导读】这里的阻抗指的是电感、电容、电阻等器件的阻抗,不是指PCB的特性阻抗。应用领域是数字电路的器件测量。PCB的特性阻抗测量技术参考博文:PCB阻抗测量技术。)
 
一、阻抗测试基本概念
 
阻抗定义:
 
阻抗是元器件或电路对周期的交流信号的总的反作用。
 
AC 交流测试信号 (幅度和频率)。
 
包括实部和虚部。
 
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图1 阻抗的定义
 
阻抗是评测电路、元件以及制作元件材料的重要参数。那么什么是阻抗呢?让我们先来看一下阻抗的定义。
 
首先阻抗是一个矢量。
 
通常,阻抗是指器件或电路对流经它的给定频率的交流电流的抵抗能力。它用矢量平面上的复数表示。一个阻抗矢量包括实部(电阻R)和虚部(电抗X)。
 
如图11-1所示,阻抗在直角坐标系中用Z=R+jX表示。那么在极坐标系中,阻抗可以用幅度和相角表示。直角坐标系中的实部和虚部可以通过数学换算成极坐标系中的幅度和相位。
 
其次,要记住阻抗的单位是欧姆。另外,要思考一下我们所熟知的电阻(R)、电感(L)和电容(C)分别对应由于复阻抗平面中的位置。
 
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图2 阻抗的公式
 
什么是导纳呢?
 
导纳是阻抗的倒数,它也可以可以表述为实部(G电导)和虚部(电纳),其单位是西门子。
 
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图3 导纳的公式
 
为什么要有阻抗和导纳两种表述方式呢?主要是为了非常简单的表述两种常用串连和并联连接方式。对于电阻和电抗串联连接时,采用阻抗的表述非常简单易用。但是对于电阻和电
 
抗并联连接时,阻抗的表述非常复杂,这时候,采用导纳就非常简单易用了。
 
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图4 阻抗和导纳的关系
 
阻抗同电感L和电容C的关系:
 
电抗有两种形式——感抗(XL)和容抗(XC)。电感对应的是感抗,电容对应的是容抗。对于理想的电感和电容,它们分别和感抗、容抗之间满足正比和反比的关系。
 
按照定义, XL=2pfL=wL
 
XC= 1/2pfC=1/wC
 
f是交流信号的频率, L 是电感,C是电容。电感的单位时亨,电容的单位是法。
 
w为角速度, w= 2pf。
 
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图5 阻抗同电容/电感的关系
 
如果将电感的阻抗Vs频率图也画在同一个阻抗图中,不难发现,电感的阻抗随频率增加而增加,电容的阻抗随频率的增加而减小。即便是理想的电感或电容,它们的阻抗也随入射交流信号的频率不同而改变。
 
品质因子Q和损耗因子 D:
 
因子Q是衡量电抗(同时也是电纳)纯度的指标。换句话说,品质因子Q是表明器件接近纯电抗的程度,品质因子越大,说明电抗的绝对值越大,反过来说,也就是说明器件的电阻越小。
 
实际上,器件阻抗中的实数部分,即电阻的大小表明能量在经过器件传输后,能量的损耗大小。因此,从上面的公式中可以看到,品质因子表明器件能量的损耗程度。
 
品质因数(Q)是电抗纯度的度量(即与纯电抗,也就是与没有电阻的接近程度),定义为元件中存储能量与该元件损耗能量之比。
 
Q是无量纲单位,表达式为Q=X/R=B/G。您可从图6看到Q是q角的正切。
 
Q一般适用于电感器,对于电容器来说,表示纯度的这一项通常用耗散因素(D)表示。耗散因素是Q的倒数,它也是q补角的正切,图6中示出了d角。
 
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图6 品质因子和损耗因子
 
实际电容模型:
 
让我们来仔细研究真实的电容器件。首先我们要清楚,不同的材料和制造技术会造成不同大小的寄生参数。器件的引线会产生不希望的串联电阻和电感,器件的两端会存在寄生的并联电阻和寄生电容。以致影响到元件的可使用性,以及所能确定电阻、电容或电感量值的准确程度。
 
一个真实世界的元件包含许多寄生参数。作为元件主要参数和寄生参数的组合,如上图所示,一个元件就好比是一个复杂的电路。
 
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图7 实际的电容模型
 
为什么要测试阻抗?
 
● 元件的阻抗受很多因素影响
● 频率
● 测试信号
● 直流偏置
● 温度
● 其他
 
由于存在寄生参数,因此频率对所有实际元件都有影响。并非所有的寄生参数都会影响测量结果,但正是某些主要的寄生参数确定了元件的频率特性。当主要元件的阻抗值不同时,主要的寄生参数也会有所不同。图8至图10示出实际的电阻器、电感器和电容器的典型频率响应。
 
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图8 频率对电阻阻抗的影响
 
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图9 频率对电感阻抗的影响
 
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图10 频率对电容阻抗的影响
 
交流信号电平的影响(电容):
 
与交流电压有关的SMD 电容(具有不同的介电常数, K) 受交流测试电压的影响如图11所示。
 
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图11 电容受交流测试电压的影响
 
磁芯电感器受线圈材料的电磁回滞特性影响,线圈电感的感值会随着测试信号电流变化而变化,如图12所示。
 
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图12 磁芯电感器受交流测试电流的影响
 
直流偏置也会改变器件的特性。大家都知道直流偏置会影响半导体器件(比如二极管和晶体管以及其他被动器件/无源器件)的特性。对于具有高介电常数材料制成的电容来说,器件上所加的直流偏置电压越高,电容的变化越大。
 
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图13 陶瓷电容受直流偏置电平的影响
 
对于磁芯电感器,电感随流过线圈的直流变化而变化,这主要应归于线圈材料的磁通饱和特性。
 
现在,开关电源非常普遍。电力电感通常用于滤波由于高电流开关的射频干扰和噪声。为了保持好的滤波特性,减小大电流的纹波,电力电感必须在工作条件下测量其特性,以保证电感的滚将特性不影响其工作特性。
 
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图14 磁芯电感器受直流偏置电流的影响
 
大多数器件都容易受温度影响。对于电阻、电感和电容,温度特性是非常重要的规范参数。下图曲线表示不同介电常数的陶瓷电容与温度的相关性。
 
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图15 陶瓷电容受温度的影响
 
二、阻抗测量方法和原理
 
阻抗测量有多种可选择的方法,每种方法都有各自得优点和缺点。需要首先考虑测量的要求和条件,然后选择最合适的方法。需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、测量精度和操作的方便性。
 
没有一种方法能够包括所有的测量能力,因而在选择测量方法时需要折中考虑。下面针对高速数字电路的特性,重点介绍三种方法。如果只考虑测量精度和操作方便性,自动平衡电桥法师直至110MHz频率的最佳选择。对于100MHz至3GHz的测量,射频I-V法有最好的测量能力,其他则推荐采用网络分析技术。
 
2.1 自动平衡电桥法
 
流过DUT的电流也流过电阻器Rr。“L”点的电位保持为0V(从而称为“虚地”)。I-V转换放大器使Rr上的电流与DUT的电流保持平衡。测量高端电压和Rr上的电压,即可计算出DUT的阻抗值。
 
各类仪器自动平衡电桥的实际配置会有所不同。常规LCR表的低频范围一般低于100KHz,可使用简单的运算放大器作为它的I-V转换器。由于受到放大器性能的限制,这类仪器在高频时的精度较差。
 
宽带LCR表和阻抗分析仪所使用的I-V转换器包括复杂的检波器、积分器和矢量调制器,以保证在1MHz以上宽频率范围内的高精度。这类仪器能达到110MHz的最高频率。
 
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图16 自动平衡电桥法原理
 
自动平衡电桥法优缺点:
 
● 最准确, 基本测试精度 0.05%
● 最宽的阻抗测量范围: C, L, D, Q, R, X, G, B, Z, Y, O, ...
● 最宽的电学测试条件范围
● 简单易用
● 低频, f < 110MHz
 
2.2 射频I-V法
 
射频I-V法用阻抗匹配测量电路(50欧姆)和精密同轴测试端口实现不同配置,能在较高频率下工作。有两种放置电压表和电流表的方法,以分别适应低阻抗和高阻抗的测量。如图所示,被测器件(DUT)的阻抗由电压和电流测量值导出,流过DUT的电流由已知阻值的低阻电阻器R上的电压经计算得到。在实际测量中,电阻器R处放置低损耗互感器,但该互感器也限制了可应用频率范围的低端。
 
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图17 射频I-V法
 
RF I-V 法优缺点
 
● 宽的/高频范围, 1MHz < f< 3GHz
● 好的测试精度, 基本测试精度 0.8%
● 宽的阻抗测量范围, 100m – 50KW @ 10%accuracy
● 100MHz最准确的测试方法
● 接地器件测试
 
2.3 网络分析法
 
通过测量注入信号与反射信号之比得到反射系数。用定向耦合器或电桥检测反射信号,并用网络分析仪提供和测量该信号。由于这种方法测量的是在DUT上的反射,因而能用于较高的频率范围。
 
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图18 网络分析法
 
根据实际的测量需求,网络分析法又延伸出几个方法,以提高测试的阻抗范围。
 
2.3.1 反射法
 
这是最典型的网络分析法,通过测试S11,来测试阻抗,公式如下:
 
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对于E5061B网络分析仪:
 
● 频率范围可测:5Hz到3GHz
● 10%精度阻抗范围:1欧姆~2K欧姆
● 可利用7mm类型系列测试夹具
 
2.3.2 串联直通法
 
如图所示,串联直通法通过串接方式连接测量DUT。对于E5061B,增益-相位测试端口和S参数测试端口都能使用串联直通法。相比来说,增益-相位测试端口更加方便,因为4端接类型的器件测试夹具能够直接连接到增益-相位测试端口。
 
但是最高频率范围仅到30MHz。如果想测试更高频率,可以使用S参数测试端口。但是,当频率达到几百兆后,消除串联直通测试夹具带来的误差是比较困难。因此实际频率限制大概在200MHz或300MHz。
 
对于E5061B网络分析仪:
 
● 频率范围可测:5Hz到30MHz(增益-相位测试端口)
● 5Hz到几百兆Hz(S参数测试端口)
● 10%精度阻抗测量范围:5欧姆到20K欧姆
● 可利用测试夹具(增益-相位测试端口)
● 不适用于接到DUT的测量
 
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图19 串联直通法
 
2.3.3 并联直通法
 
如图所示,并联直通法通过并联DUT测试阻抗。这个方法非常适合测量低阻抗器件,可小达1m欧姆。增益-相位测试端口和S参数测试端口都可以使用并联直通法。对于超过30MHz的频率范围,使用S参数测试端口进行并联直通测试。
 
但是,对于低于100KHz,推荐使用增益-相位测试端口进行阻抗测量,因为增效-相位测试端口使用了半浮地的设计方法,这个方法可以消除由于回流电流在测试电缆屏蔽层所形成的电阻误差,这样可以在低频范围内容易地和精确地测量非常低的阻抗。
 
对于E5061B网络分析仪:
 
● 频率范围:5Hz到30MHz(增益-相位测试口),5Hz到3GHz(S参数测试口1-2)
● 10%精度阻抗测量范围:1m欧姆到5欧姆(比阻抗分析仪更高的测量灵敏度)
● 使用自制测试夹具或RF探头
 
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图20 并联直通法
 
2.4 典型阻抗测量仪器
 
业界最典型的3个阻抗测量仪器是:4294A,E4991A,E5061B。它们的特征如下:
 
4294A精密阻抗分析仪:
 
● 测量频率范围从 40 Hz 到 110 MHz
● 基本测量精度为 ±0.08%
● 业内最高性能的阻抗测量和分析仪
 
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图21 4294A精密阻抗分析仪
 
E4991A 射频阻抗/材料测量分析仪:
 
● 测量频率范围从 1 MHz 到 3GHz
● 基本测量精度为 ±0.8%
● 材料测量功能可以测量介电常数和导磁率(配置选件 002)
 
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图22 E4991A 射频阻抗/材料测量分析仪
 
E5061B矢量网络分析仪
 
● 在 S 参数测量端口上的测量频率范围:从 5 Hz 到 3 GHz
● 在增益-相位测量端口上的测量频率范围:从 5 Hz 到 30 MHz
● 基本测量精度为 ±2%
● PDN (Power Distribution Network ——供电分配网络)的毫欧量级的阻抗值测试(旁路电容器,开关电源(DC-DC 变换器)的输出阻抗,PCB 板的阻抗等)
 
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图23 E5061B矢量网络分析仪
 
当测量精度为10% 时,各种仪表的阻抗测量范围的比较。
 
24图24 三种典型仪器的阻抗测量范围比较
 
三、测试误差及校准和补偿
 
3.1 测量误差
 
对于真实世界的测量,我们必须认为在测量结果中包含误差。常见的误差源有:
 
● 仪器的不精确性(包括DC偏置的不精确和OSC电平的不精确)
● 测试夹具和电缆中的残余参数
● 噪声
 
这里没有列出DUT的寄生参数,因为DUT的寄生参数是DUT的一部分,我们需要测量包括其寄生参数在内的DUT阻抗。在所列误差源中,如果测试夹具和测试电缆的残余阻抗恒定而稳定,就可对其进行补偿。
 
3.2 校准
 
校准由“校准平面”定义,在这一校准平面上能得到规定的测量精度。为校准仪器,在校准平面上连接“标准器件”,然后通过调整仪器(通过计算/数据存储),使测量结果在规定的精度范围内。
 
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图25 校准及其校准平面
 
自动平衡电桥仪器的校准平面是未知的BNC连接器。执行电缆长度校准后,校准平面移到测试电缆的顶端。自动平衡电桥仪器的校准通常是为了运行和维护,为了维持仪器在规范的精度内,应该周期的进行校准(典型是一年一次)。
 
射频I-V仪器在每次开机或改变频率设置时都要求校准。因为高频时,周边温度、湿度、频率设置等对测量精度都有比较大的影响。需要使用开路、短路和标准负载(低损耗电容有时也要求)进行校准。校准平面在连接校准件的连接器的位置。
 
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图26 射频I-V仪器的校准方法和校准平面
 
3.3补偿
 
补偿能减小DUT与仪器校准平面间误差源的影响。但补偿不能完全消除误差,补偿后得到的测量精度也达不到“校准平面”上得到的精度。补偿与校准不同,它也不能代替校准,因此必须在完成校准后再进行补偿。补偿能有效改进仪器的测量精度。下面介绍3种常见的补偿技术。
 
3.3.1 偏移补偿
 
当测量仅受单一残余成分的影响时,只需由测量值减去误差值,即可得到有效值。如下图所示的低值电容测量的情况,与DUT电容Cx并联的杂散电容Co对测量结果的影响最大,可通过从测量值Cm减去杂散电容值进行补偿。杂散电容值可从测量端开路时获得。
 
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图27 偏移补偿
 
3.3.2 开路和短路补偿
 
开路和短路补偿是当前阻抗测量仪器最常用的补偿技术。这种方法假定测试夹具的残余参数可以用简单的L/R/C/G电路表示,如下图(a)所示。当未知端开路,如下图(b)所示时,把所测杂散导纳Go+jwCo作为Yo,因为残余阻抗Zs可以忽略。
 
当未知端短路,如下图(c)所示时,所测阻抗即代表残余阻抗Zs=Rs+jwLs,因为Yo被旁路。这样,由于各残余参数均已知,即可从下图(d)所给出的公式计算DUT的阻抗Zdut。
 
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图28 开路/短路法补偿
 
3.3.4 开路、短路和负载补偿
 
有很多测量条件,复杂的残余参数不能按上图所示的简单等效电路建模。开路/短路/负载补偿是一种适用于复杂残余电路的先进补偿技术。为进行开路/短路/负载补偿,在测量DUT前先要进行3项测量,即把测试夹具端开路、短路,以及连接基准DUT(负载)。
 
在进行DUT测量时,就可在计算中使用这些得到的测量结果(数据)。如下图所示,开路/短路/负载补偿所建立的测试夹具残余阻抗模型是用ABCD参数表示的4端网络电路。如果这3项已知,并且该4端网络电路时线性电路,那么就能知道每一个参数。
 
在下述情况下应使用开路/短路/负载补偿:
 
● 接有附加的无源电路或元件(例如外部DC偏置电路,平衡-不平衡变压器,衰减器和滤波器)。
● 使用扫描器,多路转换器或矩阵开关。
● 使用非标准长度的测试电缆,或由标准安捷伦测试电缆扩展4TP电缆。
● 用放大器增强测试信号。
● 使用元件插装机。
● 使用用户制作的测试夹具。
 
在上面所列的情况下,开路/短路补偿将不能满足要求,测量结果会有相当大的误差。
 
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图29 开路/短路/负载补偿
 
3.4 接触电阻产生的误差
 
DUT电极与测试夹具或测试台电极间所存在的任何接触电阻都会造成测试误差。DUT的2端或4端连接方式的接触电阻影响有所不同。在2端连接的情况下,接触电阻以串联方式叠加到DUT阻抗,造成D(耗散因数)读数的正误差。在4端口连接的情况下,存在如下图(b)所示的接触电阻Rhc、Rhp、Rlc和Rlp。不同端子的接触电阻影响也有所不同。
 
Rhc减小施加于DUT的测试信号电平,但它不直接产生测量误差。Rlp可能造成自动平衡电桥的不平衡,但通常可忽略这一影响。Rhp和Chp构成低通滤波器,它会造成Hp输入信号的衰减和相移,从而产生测量误差。
 
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图30 接触电阻产生的误差
 
3.5 测量电缆扩展引入的误差
 
从仪器扩展的4TP测量电缆将会按扩展电缆的长度和测量频率引入测量信号的幅度误差和相移。电缆扩展会带来下面两个问题:
 
1.阻抗测量结果中的误差
 
2.电桥不平衡
 
测量误差主要由接到Hp和Lc端的电缆造成,如果电缆的长度和传播常数已知,仪器就可以对其补偿。包括Rr、放大器和Lp及Lc电缆在内的反馈回路相移会造成电桥的不平衡。但可在反馈电路内部进行相移补偿。
 
只有在较高的频率区(通常高于100KHz),这两个问题才有重大影响,而且安捷伦阻抗测试仪器能补偿安捷伦提供的电缆。在较低频率区,电缆的电容仅会使测量精度下降(不影响电桥平衡)。
 
电缆长度补偿用于长度和传播常数已知的测试电缆,比如安捷伦提供的1m(2m或4m)测试电缆。如果使用各种长度不同类型电缆,除了测量误差外,还可能造成电桥不平衡。
 
3.6并联直通法的校准和补偿
 
用E5061B测试PDN的毫欧姆级阻抗,使用并联直通法,也需要考虑校准和补偿。一般测试低频时,使用增益-相位测试端口,通常只有做直通校准即可得到足够的阻抗测试精度。测试高频时,使用S参数测试端口,这是可以使用SOLT校准,或SOLT校准加上端口延伸,如果使用探针台,则可以用探针台提供的校准件,用SOLT直接校准到探头尖位置。
 
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图31 用于低阻抗测量的并联直通法的校准和补偿
 
四、测试电缆和夹具
 
当把被测器件(DUT)连到自动平衡电桥仪器的测量端子时,有几种可选择的连接配置。而在射频阻抗测量仪器中,只能用两终端法的连接配置。
 
4.1 终端配置
 
自动平衡电桥仪器的前面板上一般配有4个BNCUNKNOWN端子(Hc,Hp,Lp和Lc)。有多种DUT与UNKNOWN端子连接的配置方法。由于每种方法都有各自的优点和缺点,必须根据DUT的阻抗和要求的测量精度,选择最合适的配置方法。
 
2端(2T)配置:
 
这是最简单的方法,但这种方法存在着很多误差源。引线电感、引线电阻,以及两条引线间的杂散电容都会叠加到测量结果上。由于存在这些误差源,其典型阻抗测量范围(没有进行补偿)限制于100欧姆到10K欧姆。
 
阻抗测量基础
图32 2端(2T)配置
 
3端(3T)配置:
 
用同轴电缆减小杂散电容的影响。同轴电缆的外导体(屏蔽)连到保护端子上。它能在较高阻抗测量范围改进测量精度,但由于仍然存在引线电感和引线电阻,因而不能改进较低阻抗范围的测量精度。典型的阻抗范围可扩展到10K欧姆以上。
 
阻抗测量基础
图33  3端(3T)配置
 
4端(4T)配置:
 
可减小引线电感的影响,因为信号电流通路与电路敏感电缆时彼此独立的。通常可改进低至1欧姆的较低阻抗测量范围的精度。当DUT的阻抗低于1欧姆时,会有大信号电流通过电流通路,它与电压敏感电缆的互感耦合将产生误差。
 
阻抗测量基础
图34 4端(4T)配置
 
5端(5T)配置:
 
是3T和4T配置的组合。它配有4条同轴电缆,这4条电缆的外导体均接到保护端。这种配置具有从1欧姆到10M欧姆的宽测量范围,但互感问题仍然存在。
 
阻抗测量基础
图35 5端(5T)配置
 
在高频下使用测试电缆:
 
4TP配置是适用于宽量程范围阻抗测量的最佳解决方案。但在基本4TP测量中,由于电缆长度必须短于波长,使电缆长度受到测量频率的限制。下面公式可用于确定这一限制:
 
阻抗测量基础
 
这里:F是测量频率(MHz)
 
L是电缆长度(m)
 
当电缆长度为1m时,最高频率限制近似为15MHz。如果电缆长度或频率超过这一限制,自动平衡电桥就可能实现不了平衡。对于较高频率(通常100KHz以上)的阻抗测量,还需要进行电缆长度补偿。
 
4.2 测试夹具
 
在阻抗测量中,测试夹具在机械和电气两方面都起着重要的作用,夹具的质量确定了总测量质量的限制。
 
安捷伦公司根据被测件的种类提供多种类型的测试夹具。为了选择最合适的DUT测试夹具,不仅要求考虑接触的物理布局,还要考虑可用的频率范围、残余参数,以及允许施加的DC电压。测试夹具的接触端(DUT连接)可以是2端,也可以是4端,以适合不同的应用。
 
如果DUT不能使用安捷伦公司提供的测试夹具,可制作针对应用的专用测试夹具。在制作测试夹具时,需要考虑下面这些关键因素。
 
1.必须把残余参数减到最小。
 
为了把残余参数减到最小,应使4TP配置尽可能接近DUT。此外,正确的保护技术能消除杂散电容的影响。
 
2.必须把接触电阻减到最小。
 
接触电阻会造成附近误差。在2TP配置情况下将直接影响到测量结果。接触电极应与DUT牢固连接,并始终保持清洁。电极应使用能抗腐蚀的材料。
 
3.接触必须能够开路和短路。
 
开路/短路补偿能容易地减小测量夹具残余参数的影响。为进行开路/短路测量,必须把接触电极开路和短路。对于开路测量,接触电极应放在与DUT连接时的同样距离上。对于短路测量,应在电极间连接无损耗(低阻抗)的导体,或直接连接接触电极。如果要使电极保持4端配置,应首先连接电流端和电位端。
 
4.3 测试电缆
 
当被测DUT与仪器有一段相隔距离时,就需要用电缆扩展测试端口(UNKNOWN端子)。如果未考虑扩展电缆的长度,则不仅会造成误差,甚至还会产生电桥的不平衡,以至无法进行测量。
 
安捷伦公司随仪器有多种1m、2m和4m测试电缆供选择。在选择测试电缆时,必须考虑电缆长度和可用频率范围。由于电缆误差已知,因而安捷伦仪器能够把测量电缆的影响减到最小。测试误差将随着电缆长度及测量频率的增加而增加。
 
建议不要使用不是安捷伦公司推荐的电缆,仪器的补偿功能可能不适用于非安捷伦电缆。如果不得不用非安捷伦电缆,则应该使用与安捷伦测试电缆相同或等效的电缆。对于更高频率,一定不要使用非安捷伦提供的电缆。为了使用4TP配置的扩展电缆,电缆长度应为1m或2m,使用测量仪器能对其补偿,如果电缆长度有误差,则将会造成附加误差。
 
4.4 消除杂散电容影响
 
当DUT为高阻抗(即低电容)时,杂散电容的影响就不能忽略。如下图所示,用4端接触测量DUT的例子,Cd与DUT并联,当在DUT下面放置导电板时,其组合电容(Ch//Cl)也与DUT相并联,从而产生了测量误差。通过把一块保护板放在高端和低端之间,就可把Cd减到最小。此外,通过把保护端与该导体相连,Ch和Cl的影响就可彼此抵消。
 
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图36 保护技术消除了杂散电容的影响
 
4.5 在射频区的终端配置和测试夹具
 
射频阻抗测量仪器带有精密的同轴测试端口,它在原理上是一种2端配置。同轴测试端口连接器的中心导体是有源的高端,外外导体是接地的低端。只能用最简单的2端连接配置测量DUT。测试夹具的残余电感、残余电阻、杂散电容和杂散电导均叠加在测量结果上(在补偿前)。
 
不管是射频I-V法还是网络分析法,被测阻抗越偏离50欧姆,射频阻抗测量精度就越低。残余参数的影响随频率的增加而增加,频率越高,可测阻抗范围越窄。
 
要对射频测试夹具进行专门的设计,使DUT与测试端口间的引线长度(电气通路长度)尽可能短,从而把残余参数减到最小。通常在频率低于100MHz时,测试夹具残余参数所造成的误差要小于仪器误差,在经过补偿后可以忽略不计。
 
但在测量接近于残余参数的低阻抗或高阻抗时,测试夹具残余参数的变化会造成测量结果的重复性问题。残余参数的变化和测量结果的不稳定性决定于在测试夹具端子上DUT的定位精度。对于重复性的测量,射频测试夹具应能将DUT在测量端子上精确定位。
 
在高频(通常高于500MHz)时,测试夹具的残余参数对测量结果有更大的影响,并且会使实际测量范围变窄。因此,测试夹具的可用频率范围限定了各类测试夹具的最高频率。仪器不精确性与测试夹具引入误差之和确定了DUT测量结果的不精确性。由于只能使用2端配置,补偿法师获得最佳测量精度的关键。
 
各种测试夹具都有各自的特性和结构。由于影响DUT测量值的不仅是残余参数,还包括DUT的周围环境(如接地板、端子布局、绝缘体的介电常数等),为了得到好的测量一致性,应使用同一类型的测试夹具。
 
有两种类型的射频测试夹具:同轴测试夹具和非同轴测试夹具,其区别在于两者的几何结构和电气特性。非同轴测试夹具有开启的测量端,因而便于DUT的连接和拆卸。非同轴型夹具适用于高效率地测试大量的器件。但这一高效率是以高频时牺牲测量精度为代价的,因为在同轴连接器部件与测试端子间存在着电气特性的不连续(失配)。
 
同轴测试夹具则用类似于同轴端的配置固定DUT,其被连接到测试夹具的中心电极和外导体帽电极。由于从测试端口到DUT保持着连续的50欧姆的特性阻抗,因而同轴测试夹具能够通过最高的测量精度和最好的频率响应。由于可以选择可重复数量的绝缘体直径,以把DUT与绝缘体的间隙减到最小,DUT可定位在能得到最佳重复性的测试夹具端上,而不需要操作者的高超技巧。因而同轴测试夹具能比非同轴测试夹具得到较低的附加误差和高得多的测量重复能力。
 
阻抗测量基础
图37  典型的射频阻抗测试夹具
 
五、成功测量阻抗的8点提示(总结)
 
提示 1.阻抗参数的确定和选择:
 
阻抗是表征电子器件特性的参数之一。阻抗 (Z) 的定义是器件在给定的频率下对交流电流 (AC) 所起的阻碍作用。
 
阻抗通常用复数量( 矢量 ) 的形式来表示,可以把它画在极坐标上。坐标的第一和第二象限分别对应正的电感值和正的电容值 ;第三和第四象限则代表负的电阻值。阻抗矢量由实部 ( 电阻 — R) 和虚部 ( 电抗 —X) 组成。电容 (C) 和电感 (L)的值可从电阻(R) 和电抗 (X) 值中推导出来。电抗的两种形式分别是感抗 (XL) 和容抗(XC)。品质因数 (Q) 和损耗因数(D) 也可从电阻和电抗的值中推导出来,这两个参数是表示电抗纯度的。当 Q值偏大或 D 值偏小时,电路的质量更高。Q的定义是器件所储存的能量与其做消耗的能量的比值。D 是 Q 的倒数。D 还等于“tan ä”,其中 ä 是介质损耗角 (ä 是相位角è 的余角 )。D和 Q 均属于无量纲的量。
 
提示 2.选择正确的测量条件:
 
器件制造商给出的器件阻抗值所代表的是在规定的测量条件下器件所能达到的性能,以及在生产这些器件时所允许出现的器件性能的偏差。如果在设计电路时需要很精确地知道所使用器件的性能的话,就有必要专门对器件进行测量来验证其实际值与标称值之间的偏差,或在不同于制造商测试条件的实际工作条件下测量器件的阻抗参数。
 
由于寄生电感、电容和电阻的存在,所有器件的特性会随着测量频率的变化而变化的现象是非常常见的。
 
器件阻抗的测量结果还会受到在测量时所选择的测量信号的大小的影响:
 
● 电容值 (或材料的介电常数,即 K值 ) 的测量结果会依赖于交流测量信号电压值的大小。
● 电感值 (或材料的磁滞特性 ) 的测量结果会依赖于交流测量信号电流值的大小。
 
使用仪表的自动电平控制 (ALC)功能可使被测器件 (DUT) 两侧的电压保持在一个恒定的值上。如果仪表内部没有 ALC功能但是有监测信号大小的功能,可以利用这个功能给这种仪表编写一个相当于 ALC 功能的控制程序来保证被测器件两端上的电压稳定。
 
通过控制测量积分时间 ( 相当于数据采集时间 )可以去除测量中不需要的信号的影响。利用平均值功能可以降低测量结果中的随机噪声。延长积分时间或增加平均计算的次数可以提高测量精度,但也会降低测量速度。在仪表的操作手册中对这部分内容都有详细的解释。
 
其它有可能影响测量结果的物理和电气因素还包括直流偏置、温度、湿度、磁场强度、光强度、振动和时间等。
 
提示 3.选择适当的仪器显示参数:
 
现在有很多阻抗测量仪器都能够测量阻抗矢量的实部和虚部,然后再把它们转换为其它所需要的参数。如果一个测量结果显示为阻抗(Z) 和相位(è),那么被测器件的主要参数 (R、C、L) 和其它所有寄生参数所表现出来的综合特性就体现在 |Z| 和 è的数值的大小上。
 
如果要想显示一个被测器件除阻抗和相角以外的其它参数,可以使用它的二元模型等效电路。在区分这些基于串联或并联电路模式的二元模型时,我们用脚注“p”代表并联模型,用“s”代表串联模型,例如Rp、Rs、Cp、Cs、Lp 或 Ls。
 
在现实世界中没有器件是纯粹的的电阻、纯粹的电容、纯粹的电感。任何常用的器件通常都会有一些寄生参数 (例如由器件的引脚、材料等引起的寄生电阻、寄生电感和寄生电
 
容 ) 存在,表现器件主要特性的部分和寄生参数部分结合在一起会使一个简单的器件在实际工作中表现得就像一个复杂的电路一样。
 
近年来新推出的阻抗分析仪都带有等效电路分析的高级功能,可以用三元或四元电路模型的形式对测量结果进行进一步的分析。使用这种等效电路分析功能可对器件更为复杂的寄生效应进行全面分析。
 
提示 4.测量技术具有局限性:
 
在产品设计和生产制造的测量中,我们经常被问到的问题恐怕就是 :“测量结果的精度有多高?”仪器的测量精度实际上取决于被测器件的阻抗值和所采用的测量技术。
 
在确定测量结果的精度时,需要把测量到的被测器件的阻抗值和所使用仪表在所适用的测量条件下的精度进行比较才可以知道。
 
仪表关于D 值和 Q 值的测量精度的指标通常不同于仪表关于其它阻抗参数测量精度的技术指标。对于低损耗 (D 值很低,Q 值很高 ) 器件,R值相对于 X 值而言是非常小的。R 值的细小变化将会引起 Q值的很大变化。
 
如果测量结果的误差跟所测到得的R 的值相近似的话,就会导致 D或 Q值的测量结果是负数的现象。需要时刻注意的是,测量结果的误差包括仪表自身的测量误差和测量夹具引起的误差。
 
提示 5.进行校准:
 
进行校准的目的是给仪表定义一个能够保证测量精度的基准面。通常都是在仪表的测量端口上进行校准,在测量时用校准数据对原始数据进行修正。
 
安捷伦科技采用自动平衡电桥技术的仪表在出厂时或是在维修中心都做过基础的校准,可以在一定时期内 ( 通常为 12 个月),不论在测量中对仪表进行何种设置,测量结果都可以达到仪表指标规定的测量精度,操作人员使用这种仪表时是不需要进行校准操作的。
 
对不采用自动平衡电桥技术的仪表而言,在仪表初始化和设置好测量条件之后,使用一套校准件对仪表进行基础校准是必须的。在使用校准件对这类仪表进行校准时,这个提示所提供的信息是很有用的。
 
一些测量仪表还提供固定校准模式和用户校准模式供使用者选择。固定校准模式是在预先设定 ( 固定)的频率上对校准件进行测量得到校准数据。在固定校准频点之间,校准数据可以通过内插法计算出来。固定校准模式在固定校准频率之间的频点上的内插数据有时会存在较大的误差,当测量频率较高时这些内插校准数据的误差可能会非常大。
 
用户校准模式是在与实际测量中所选择使用的频率完全一样的频点上对校准件进行测量得到教准数据,对于一些具体的测量而言,用户校准模式不会产生校准数据的内插误差。
 
特别需要注意的是,用户校准模式得到的校准数据仅对测量条件和校准条件 ( 指仪表的状态 ) 完全一样的情况有效。
 
提示 6.进行补偿:
 
补偿不同于校准,补偿对提高测量精度的效果取决于仪器的校准精度,因次必须在校准完成之后再执行补偿的操作。如果可以把被测器件直接连在校准面上进行测量,那么仪表的测量结果是能够达到指标所规定的精度要求的。但是,通常都会在校准面和被测器件之间连接一个测试夹具或适配器,因而必须对这种中间部件的残留阻抗进行补偿才可以得到精确的测量结果。
 
由测试夹具或适配器引起的测量误差可能会非常大,而总的测量精度是由仪器的精度和被测器件与校准面之间的误差源组成的。验证补偿的效果是否能使随后的测量正常进行是非常重要的。一般而言,在补偿时,开路条件下的补偿测量器件的阻抗值应当至少是被测器件阻抗值的100 倍以上,而短路条件下的阻抗值应当低于被测器件阻抗值的 1/100。
 
开路补偿可降低或消除杂散电容,而短路补偿可降低或消除测量夹具引起的能够导致误差增大的残留电阻和电感。在进行开路或短路补偿测量时,应该使补偿器件两个引脚( 即所谓UNKNOWN 引脚 )之间的距离与实际测量时被测器件引脚之间的距离一样,这样可以保证补偿测量和实际测量所碰到的寄生阻抗是一致的。
 
当测量端口被扩展到安捷伦提供的标准夹具距离之外、或者用户使用自己设计的测量夹具、或者在测量系统中还使用了扫描仪时 —这些情况都涉及到在测量中又引入了额外的无源器件或电路 ( 例如巴仑、衰减器、滤波器等),那么在做补偿时,除了要做开路和短路补偿之外,还要做负载补偿。进行负载补偿所用到的器件的阻抗值一定是已知的而且要精确,并且还应当选择与被测器件的阻抗( 在全部的测试条件下 )和尺寸类似的器件做负载补偿器件。可把性能很稳定的电阻器或电容器当成负载补偿测量器件使用。
 
在选择补偿器件时一种比较实际的做法是先用一个标准夹具,在进行完开路和短路补偿之后再去测量准备当补偿负载用的器件,用这种方法来确定负载补偿器件的阻抗值,然后可以把这个阻抗值输入给仪表作为补偿测量标准件的值。
 
提示 7.消除相位偏移和端口扩展的误差:
 
通过电缆长度校正、端口扩展或电延迟,可将校准面扩展至测量电缆末端或夹具表面,这些种校正可降低或消除测量电路中的相移误差当需要把仪表的测量端口延伸使其远离校准面时,延长电缆的电气特征会影响总的测量性能。以下这些办法可以降低这些影响:
 
●尽量使用短的电缆来做测量端口的延伸。
●使用高度屏蔽的同轴电缆,以阻隔外部噪声产生的影响。
●尽量使用损耗非常小的同轴电缆,因为在扩展测量端口的操作中是假设不存在电缆损耗的,因此损耗最小的电缆可以避免测量精度的劣化。
 
开路 /短路补偿无法减少由测试夹具引起的相移误差。在测量频率达到射频范围时,应当在延长电缆的末端进行校准。如果在延长电缆的末端不能连接校准件,那么当延长电缆比较短而且特性很好时,可以用端口延伸来代替校准。
 
在使用自动平衡电桥仪表的情况下,如果测量电缆或延伸电缆是非标准的 ( 不是由安捷伦提供的 ),那么应该电缆或夹具的末端进行开路 /短路 / 负载补偿。安捷伦自动平衡电桥仪表所使用的端口延长标准电缆 (1、2 或 4 米 )使用电缆长度补偿数据进行误差校正,通常在使用时应该把这些标准延长电缆末端的屏蔽层连接到一起。
 
任何形式的端口扩展都有局限性,它们都会因为测量电路的损耗和 /或相位偏移而引起测量误差,在进行端口延伸之前必须要对这种操作的局限性有清楚的了解。
 
提示 8.夹具和连接器维护:
 
高质量的电气连接能够确保进行精密的测量。每一次把被测器件与仪表或测量电缆、夹具进行连接时,接合面的特征都会随着连接的质量而有所不同,接合面的阻抗失配会影响测试信号的传播。应当经常留意测试端口的接合表面、适配器、校准标准件、夹具连接器和测试夹具等的质量和状态。连接的质量取决于以下因素:
 
●连接的组成部分
●采用的技术
●经常进行高质量维护
●保证清洁度
●按照标准要求保存仪表和部件
 
俗话说“一环薄弱,全局必垮”。测量系统也是如此。如果测试系统中使用了低质量的电缆、适配器或夹具,那么系统的整体质量都会降到最低水平。
 
通过使用力矩扳手和一些常识,可确保在进行重复连接时不出现器件损坏。器件损坏包括配合表面的刮痕和变形。
 
多数测量部件接合表面的部分都是可以替换的,把已经多次使用而性能变差的部分换掉。有的部件接合表面的部分是不可以替换或修复的,那么应该定期用新的部件去替换旧的部件。
 
使用无腐蚀性 /无损溶剂 ( 例如去离子水和纯异丙醇 )和无尘布擦拭接合表面可以保证它们的阻抗不受油迹或其它杂质的影响。请注意,一些塑料在使用异丙醇时会发生性质的该变。
 
如果仪器的包装不提供附件袋,那么应当使用有盖的塑料盒和塑料封套来保护所有未在使用状态下的接合表面。
 
 
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