一、Grundlegende Konzepte der Impedanzmessung

 

Impedanzdefinition:

• Impedanz ist die Gesamtreaktion von Komponenten oder Schaltkreisen auf periodische Wechselstromsignale.

• AC AC-Testsignal (Amplitude und Frequenz).

• Einschließlich Realteil und Imaginärteil.

Abbildung 1 Definition der Impedanz

 

Die Impedanz ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung von Schaltkreisen, Komponenten und Herstellungskomponentenmaterialien. Was ist also Impedanz? Schauen wir uns zunächst die Definition der Impedanz an.

 

Erstens ist die Impedanz ein Vektor.

 

Im Allgemeinen bezieht sich die Impedanz auf den Widerstand eines Geräts oder Stromkreises gegenüber dem durch ihn fließenden Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz. Sie wird durch die komplexe Zahl auf der Vektorebene dargestellt. Ein Impedanzvektor besteht aus einem Realteil (Widerstand R) und einem Imaginärteil (Reaktanz x). Wie in Abbildung 11-1 dargestellt, wird die Impedanz durch z = R + JX im rechtwinkligen Koordinatensystem dargestellt. Im Polarkoordinatensystem kann die Impedanz dann durch Amplitude und Phasenwinkel ausgedrückt werden. Der Realteil und der Imaginärteil im rechtwinkligen Koordinatensystem können mathematisch in Amplitude und Phase im Polarkoordinatensystem umgewandelt werden.

 

Denken Sie zweitens daran, dass die Einheit der Impedanz Ohm ist. Bedenken Sie außerdem, dass der bekannte Widerstand (R), die Induktivität (L) und die Kapazität (c) jeweils der Position in der komplexen Impedanzebene entsprechen.

 

Abbildung 2 Impedanzformel

 

Was ist Zulassung?

 

Die Admittanz ist der Kehrwert der Impedanz. Es kann auch als Realteil (g-Leitfähigkeit) und Imaginärteil (Suszeptanz) ausgedrückt werden. Seine Einheit ist Siemens.

Abb. 3 Zulassungsformel

 

Warum gibt es zwei Ausdrücke für Impedanz und Admittanz? Es geht hauptsächlich darum, zwei gängige serielle und parallele Verbindungsmodi sehr einfach auszudrücken. Wenn Widerstand und Reaktanz in Reihe geschaltet sind, ist der Ausdruck der Impedanz sehr einfach und leicht zu verwenden. Wenn Widerstand und Reaktanz jedoch parallel geschaltet sind, ist der Ausdruck der Impedanz sehr komplex. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verwendung der Zulassung sehr einfach und benutzerfreundlich.

Abb. 4 Zusammenhang zwischen Impedanz und Admittanz

 

Zusammenhang zwischen Impedanz und Induktivität L und Kapazität C:

   

Es gibt zwei Formen der Reaktanz: die induktive Reaktanz (XL) und die kapazitive Reaktanz (XC). Die Induktivität entspricht der induktiven Reaktanz und die Kapazität entspricht der kapazitiven Reaktanz. Bei idealer Induktivität und Kapazität sind sie proportional und umgekehrt proportional zur induktiven Reaktanz bzw. zur kapazitiven Reaktanz. Per Definition,

 

XL=2pfL=wL

                        

XC= 1/2pfC=1/wC  

 

F ist die Frequenz des Wechselstromsignals, l ist die Induktivität und C ist die Kapazität. Die Einheit der Induktivität ist Heng und die Einheit der Kapazität ist Fa.

   

W ist die Winkelgeschwindigkeit, w = 2pF.

Abb. 5 Zusammenhang zwischen Impedanz und Kapazität/Induktivität

 

Wenn das Impedanz-Frequenz-Diagramm der Induktivität auch im gleichen Impedanzdiagramm gezeichnet wird, ist es nicht schwer festzustellen, dass die Impedanz der Induktivität mit zunehmender Frequenz zunimmt und die Impedanz der Kapazität mit zunehmender Frequenz abnimmt. Selbst bei idealen Induktivitäten oder Kondensatoren ändert sich ihre Impedanz mit der Frequenz des einfallenden Wechselstromsignals.

 

Qualitätsfaktor Q und Verlustfaktor D:

   

Der Qualitätsfaktor Q ist ein Index zur Messung der Reinheit der Reaktanz (und Suszeptanz). Mit anderen Worten: Der Qualitätsfaktor Q gibt an, dass das Gerät nahe an der reinen Reaktanz liegt. Je größer der Gütefaktor, desto größer ist der Absolutwert der Reaktanz. Umgekehrt gilt: Je kleiner der Widerstand des Geräts.

   

Tatsächlich gibt der Realteil der Geräteimpedanz, also der Widerstand, den Energieverlust an, nachdem Energie durch das Gerät übertragen wurde. Daher ist aus der obigen Formel ersichtlich, dass der Qualitätsfaktor den Grad des Energieverlusts des Geräts angibt.

   

Der Qualitätsfaktor (q) ist ein Maß für die Reinheit der Reaktanz (d. h. die Nähe zur reinen Reaktanz, d. h. kein Widerstand), der als Verhältnis der im Element gespeicherten Energie zur vom Element verlorenen Energie definiert ist.

   

Q ist eine dimensionslose Einheit und der Ausdruck lautet q = x / r = B / g. Aus Abbildung 6 können Sie ersehen, dass Q der Tangens des Q-Winkels ist.

   

Q gilt allgemein für Induktoren. Bei Kondensatoren wird der Reinheitsgrad üblicherweise durch den Verlustfaktor (d) ausgedrückt. Der Verlustfaktor ist der Kehrwert von Q, der auch der Tangens des Q-Komplementwinkels ist. Der D-Winkel ist in Abb. 6 dargestellt.

 

 

Abbildung 6 Qualitätsfaktor und Verlustfaktor

 

Tatsächliches Kapazitätsmodell:

   

Schauen wir uns echte kapazitive Geräte genauer an. Zunächst einmal sollten wir uns darüber im Klaren sein, dass unterschiedliche Materialien und Herstellungstechnologien unterschiedlich große parasitäre Parameter verursachen. Die Leitungen des Geräts erzeugen unerwünschte Serienwiderstände und Induktivitäten, und an beiden Enden des Geräts treten parasitäre Parallelwiderstände und parasitäre Kapazitäten auf. Dies hat Auswirkungen auf die Verwendbarkeit des Elements und die Genauigkeit des ermittelten Widerstands, der Kapazität oder Induktivität.

   

Eine reale Komponente enthält viele parasitäre Parameter. Als Kombination aus Hauptparametern und parasitären Parametern von Komponenten ähnelt eine Komponente, wie in der Abbildung oben dargestellt, einer komplexen Schaltung.

 

 

Abbildung 7: Tatsächliches Kapazitätsmodell

 

   

Warum die Impedanz testen?

   

Die Impedanz des Elements wird von vielen Faktoren beeinflusst

• Speziellle Matching-Logik oder Vorlagen

• Testsignal

• DC-Offset

• Temperaturen

• Andere

Aufgrund parasitärer Parameter wirkt sich die Frequenz auf alle realen Komponenten aus. Nicht alle parasitären Parameter beeinflussen die Messergebnisse, aber es sind einige der wichtigsten parasitären Parameter, die die Frequenzeigenschaften des Elements bestimmen. Wenn die Impedanzwerte der Hauptkomponenten unterschiedlich sind, sind auch die wichtigsten parasitären Parameter unterschiedlich. Feigen. 8 bis 10 zeigen typische Frequenzgänge tatsächlicher Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren.

Abb. 8 Einfluss der Frequenz auf die Widerstandsimpedanz

Abb. 9 Einfluss der Frequenz auf die Induktivitätsimpedanz

Abb. 10 Einfluss der Frequenz auf die Kapazitätsimpedanz

 

Einfluss des AC-Signalpegels (Kapazität):

   

Die SMD-Kapazität (mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante K) in Bezug auf die Wechselspannung wird durch die Wechselstrom-Prüfspannung beeinflusst, wie in Abbildung 11 dargestellt.

Abb. 11 Kapazität, beeinflusst durch AC-Prüfspannung

 

Der magnetische Kerninduktor wird durch die elektromagnetischen Hystereseeigenschaften des Spulenmaterials beeinflusst, und die Induktivität der Spuleninduktivität ändert sich mit der Änderung des Testsignalstroms, wie in Abbildung gezeigt. 12.

Abb. 12 Magnetkerninduktor, beeinflusst durch AC-Teststrom

 

Gleichstromvorspannung verändert auch die Eigenschaften des Geräts. Es ist bekannt, dass die Gleichstromvorspannung die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren sowie anderen passiven Bauelementen/passiven Bauelementen beeinflusst. Bei Kondensatoren aus Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante ist die Kapazitätsänderung umso größer, je höher die an das Gerät angelegte Gleichstromvorspannung ist.

Abbildung 13 Keramikkondensator, beeinflusst durch DC-Vorspannungspegel

 

Bei Kerninduktoren variiert die Induktivität mit dem durch die Spule fließenden Gleichstrom, was hauptsächlich auf die magnetischen Flusssättigungseigenschaften des Spulenmaterials zurückzuführen ist.

   

Mittlerweile sind Schaltnetzteile weit verbreitet. Leistungsinduktivitäten werden normalerweise verwendet, um HF-Interferenzen und Rauschen aufgrund von Hochstromschaltern zu filtern. Um gute Filtereigenschaften aufrechtzuerhalten und die Welligkeit großer Ströme zu reduzieren, müssen die Eigenschaften des Leistungsinduktors unter Arbeitsbedingungen gemessen werden, um sicherzustellen, dass die Rolleigenschaften des Induktors seine Arbeitseigenschaften nicht beeinträchtigen.

 

Abb. 14 Kerninduktivität, beeinflusst durch DC-Vorstrom

 

Die meisten Geräte sind temperaturempfindlich. Für Widerstand, Induktivität und Kapazität ist die Temperaturcharakteristik ein sehr wichtiger Spezifikationsparameter. Die folgende Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen Keramikkapazität bei unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante und Temperatur.

 

FEIGE. 15 Keramikkapazität wird durch die Temperatur beeinflusst

二、Methode und Prinzip der Impedanzmessung

 

Es gibt viele alternative Methoden zur Impedanzmessung, und jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Es ist notwendig, zunächst die Anforderungen und Bedingungen der Messung zu berücksichtigen und dann die am besten geeignete Methode auszuwählen. Zu berücksichtigende Faktoren sind unter anderem Frequenzabdeckung, Messbereich, Messgenauigkeit und Bedienkomfort. Keine Methode kann alle Messmöglichkeiten umfassen, daher ist bei der Auswahl der Messmethoden ein Kompromiss erforderlich. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf drei Methoden entsprechend den Eigenschaften digitaler Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Wenn nur die Messgenauigkeit und der Bedienkomfort berücksichtigt werden, ist die automatische Balancebrücke bis zur Frequenz von 110 MHz die beste Wahl. Für die Messung von 100 MHz bis 3 GHz bietet die RF-IV-Methode die beste Messfähigkeit, für andere wird die Netzwerkanalysetechnologie empfohlen. 2.1 Automatische Balance-Brückenmethode

   

Der durch das DUT fließende Strom fließt auch durch den Widerstand RR. Das Potenzial am „L“-Punkt wird auf 0 V gehalten (daher „virtuelle Masse“ genannt). Der IV-Umwandlungsverstärker gleicht den Strom am RR mit dem Strom des DUT aus. Der Impedanzwert des Prüflings kann durch Messung der High-End-Spannung und der Spannung an RR berechnet werden.

   

Die tatsächliche Konfiguration der automatischen Unruhbrücke verschiedener Instrumente kann unterschiedlich sein. Der Niederfrequenzbereich herkömmlicher LCR-Messgeräte liegt im Allgemeinen unter 100 kHz, und als IV-Wandler kann ein einfacher Operationsverstärker verwendet werden. Aufgrund der begrenzten Verstärkerleistung weist diese Art von Instrument bei hohen Frequenzen eine geringe Genauigkeit auf. Der im Breitband-LCR-Messgerät und Impedanzanalysator verwendete IV-Wandler umfasst einen komplexen Detektor, Integrator und Vektormodulator, um eine hohe Genauigkeit in einem breiten Frequenzbereich über 1 MHz zu gewährleisten. Diese Art von Instrument kann die höchste Frequenz von 110 MHz erreichen.

Abbildung 16 Prinzip der automatischen Balance-Brückenmethode

Vor- und Nachteile der automatischen Balance-Bridge-Methode:

• Die genaueste, grundlegende Testgenauigkeit 0.05 %

• Größter Impedanzmessbereich: C, l, D, Q, R, x, G, B, Z, y, O

• Größtes Spektrum an elektrischen Testbedingungen

• Einfach zu bedienen:

• Niederfrequenz, f < 110 MHz

2.2 RF IV-Methode

   

Die RF-IV-Methode verwendet einen Impedanzanpassungs-Messkreis (50 Ohm) und einen präzisen koaxialen Testanschluss, um verschiedene Konfigurationen zu realisieren, und kann bei höheren Frequenzen arbeiten. Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Voltmeter und ein Amperemeter für Messungen mit niedriger bzw. hoher Impedanz zu platzieren. Wie in der Abbildung dargestellt, wird die Impedanz des Prüflings (DUT) aus den gemessenen Spannungs- und Stromwerten abgeleitet und der durch das DUT fließende Strom aus der Spannung am niederohmigen Widerstand R mit bekanntem Widerstand berechnet. Bei der eigentlichen Messung wird ein verlustarmer Transformator am Widerstand R platziert, aber der Transformator begrenzt auch das untere Ende des anwendbaren Frequenzbereichs.

Abbildung 17 RF IV-Methode

 

Vor- und Nachteile der RF IV-Methode

• Großer / hoher Frequenzbereich, 1 MHz < f < 3 GHz

• Gute Testgenauigkeit, grundlegende Testgenauigkeit 0.8 %

• Großer Impedanzmessbereich, 100 m – 50 kW bei 10 % Genauigkeit

• 100 MHz ist die genaueste Testmethode

• Erdungsgerätetest

2.3 Netzwerksegmentierung

   

Der Reflexionskoeffizient wird durch Messung des Verhältnisses des eingekoppelten Signals zum reflektierten Signal ermittelt. Das reflektierte Signal wird von einem Richtkoppler oder einer Brücke erfasst und das Signal wird von einem Netzwerkanalysator bereitgestellt und gemessen. Da diese Methode die Reflexion am Prüfling misst, kann sie in einem höheren Frequenzbereich eingesetzt werden.

 

Abbildung 18. Netzwerkanalysemethode

 

Entsprechend den tatsächlichen Messanforderungen erweitert die Netzwerkanalysemethode mehrere Methoden, um den Impedanzbereich des Tests zu verbessern.

 

2.3.1 Reflexionsmethode

   

Dies ist die typischste Netzwerkanalysemethode. Testen Sie die Impedanz, indem Sie S11 testen. Die Formel lautet wie folgt:

 

ZDUT=50(1+S11)/(1-S11)

 

Für den Netzwerkanalysator e5061b:

 

Frequenzbereich messbar: 5Hz bis 3GHz

10 % Genauigkeit Impedanzbereich: 1 Ohm ~ 2 kOhm

Es können Prüfvorrichtungen der 7-mm-Typreihe verwendet werden

 

2.3.2 Reihen-Straight-Through-Methode

   

Wie in der Abbildung dargestellt, verbindet die Reihendurchgangsmethode das Messobjekt in Reihe. Beim e5061b können sowohl der Verstärkungsphasentest-Port als auch der S-Parameter-Testport die Seriell-Durchgangs-Methode verwenden. Im Gegensatz dazu ist der Verstärkungsphasen-Testanschluss praktischer, da die Gerätetestvorrichtung mit 4 Anschlüssen direkt an den Verstärkungsphasen-Testanschluss angeschlossen werden kann. Der maximale Frequenzbereich beträgt jedoch nur 30 MHz. Wenn Sie eine höhere Frequenz testen möchten, können Sie den S-Parameter zum Testen des Ports verwenden. Wenn die Frequenz jedoch mehrere hundert Megabyte erreicht, ist es schwierig, den durch die Serie verursachten Fehler durch Testvorrichtungen zu beseitigen. Daher liegt die tatsächliche Frequenzgrenze bei etwa 200 MHz oder 300 MHz.

 

Für den Netzwerkanalysator e5061b:

• Messbarer Frequenzbereich: 5 Hz bis 30 MHz (Verstärkungsphasen-Testanschluss)

• 5 Hz bis Hunderte von MHz (s Parameter-Test-Port)

• Impedanzmessbereich mit 10 % Genauigkeit: 5 Ohm bis 20 kOhm

• Verfügbare Testvorrichtung (Verstärkungsphasentestanschluss)

• Gilt nicht für Messungen, die mit dem Prüfling verbunden sind

Abbildung 19 Serie Straight-Through-Methode

 

2.3.3 Parallele Durchgangsmethode

   

Wie in der Abbildung gezeigt, testet die Parallel-Durchgangsmethode die Impedanz durch parallele Prüflinge. Diese Methode eignet sich sehr gut zum Messen von Geräten mit niedriger Impedanz, die bis zu 1 mOhm betragen können. Sowohl der Verstärkungsphasen-Testanschluss als auch der S-Parameter-Testanschluss können die Parallel-Straight-Through-Methode verwenden. Für den Frequenzbereich über 30 MHz verwenden Sie den S-Parameter-Testanschluss für den Paralleldurchgangstest. Bei weniger als 100 kHz wird jedoch empfohlen, den Verstärkungsphasen-Testanschluss für die Impedanzmessung zu verwenden, da der Effizienzphasen-Testanschluss die halbschwebende Designmethode verwendet, die den durch den Rückstrom in der Testkabelabschirmung verursachten Widerstandsfehler beseitigen kann Schicht, so dass die sehr niedrige Impedanz im Niederfrequenzbereich einfach und genau gemessen werden kann.

 

Für den Netzwerkanalysator e5061b:

 

Frequenzbereich: 5 Hz bis 30 MHz (Verstärkungsphasen-Testanschluss), 5 Hz bis 3 GHz (s-Parameter-Testanschluss 1-2)

 

Impedanzmessbereich mit 10 % Genauigkeit: 1 m Ohm bis 5 Ohm (höhere Messempfindlichkeit als Impedanzanalysator). Verwenden Sie eine selbstgebaute Testvorrichtung oder eine HF-Sonde

 

Abbildung 20 Parallel-Straight-Through-Methode

2.4 Typisches Impedanzmessgerät

 

Die drei typischsten Impedanzmessgeräte in der Branche sind 4294A, e4991a und e5061b. Ihre Eigenschaften sind wie folgt:

 

4294A Präzisions-Impedanzanalysator:

Die Messfrequenz reicht von 40 Hz bis 110 MHz

Die grundlegende Messgenauigkeit beträgt & plusmn; 0.08 %

Das branchenweit leistungsstärkste Impedanzmessgerät und -analysator

 

Abbildung 21 Präzisionsimpedanzanalysator 4294A

 

E4991a HF-Impedanz-/Materialmessanalysator:

 Der Messfrequenzbereich reicht von 1 MHz bis 3 GHz

 Die grundlegende Messgenauigkeit beträgt & plusmn; 0.8 %

Die Materialmessfunktion kann Dielektrizitätskonstante und Permeabilität messen (Konfigurationsoption 002)

 

Abbildung 22 e4991a HF-Impedanz-/Materialmessanalysator

 

E5061b Vektor-Netzwerkanalysator

Messfrequenzbereich am S-Parameter-Messanschluss: von 5 Hz bis 3 GHz

Messfrequenzbereich am Verstärkungsphasen-Messanschluss: von 5 Hz bis 30 MHz

Die grundlegende Messgenauigkeit beträgt & plusmn; 2 %

PDN (Stromverteilungsnetzwerk) – Milliohm-Impedanzwerttest des Stromversorgungsverteilungsnetzwerks (Bypass-Kondensator, Ausgangsimpedanz des Schaltnetzteils (DC-DC-Wandler), Impedanz der Leiterplatte usw.)

Abbildung 23 Vektor-Netzwerkanalysator e5061b

 

Vergleich der Impedanzmessbereiche verschiedener Instrumente bei einer Messgenauigkeit von 10 %.

Abb. 24 Vergleich der Impedanzmessbereiche von drei typischen Instrumenten

 

三、Testfehler sowie Kalibrierung und Kompensation

 

3.1 Messfehler

   

Bei realen Messungen müssen wir berücksichtigen, dass Fehler in den Messergebnissen enthalten sind. Häufige Fehlerquellen sind: Ungenauigkeit des Instruments (einschließlich Ungenauigkeit der DC-Vorspannung und Ungenauigkeit des OSC-Pegels), verbleibendes Parameterrauschen in der Testvorrichtung und im Kabel

   

Die parasitären Parameter des DUT werden hier nicht aufgeführt, da die parasitären Parameter des DUT Teil des DUT sind. Wir müssen die Impedanz des Prüflings einschließlich seiner parasitären Parameter messen. Eine der aufgeführten Fehlerquellen kann kompensiert werden, wenn die Restimpedanz der Prüfvorrichtung und des Prüfkabels konstant und stabil ist.

 

3.2 Kalibrierung

     

Die Kalibrierung wird durch die „Kalibrierungsebene“ definiert, auf der die spezifizierte Messgenauigkeit erreicht werden kann. Um das Instrument zu kalibrieren, schließen Sie das „Standardgerät“ an der Kalibrierungsebene an und justieren Sie dann das Instrument (durch Berechnung/Datenspeicherung), damit die Messergebnisse innerhalb des angegebenen Genauigkeitsbereichs liegen.

Abbildung 25 Kalibrierung und ihre Kalibrierungsebene

 

Die Kalibrierungsebene des automatischen Brückenwaageninstruments ist ein unbekannter BNC Stecker. Nachdem Sie die Kabellängenkalibrierung durchgeführt haben, bewegen Sie die Kalibrierungsebene an die Oberseite des Testkabels. Die Kalibrierung eines automatischen Brückenwaageninstruments dient normalerweise dem Betrieb und der Wartung. Um die Genauigkeit des Instruments innerhalb der angegebenen Grenzen zu halten, sollte es regelmäßig (normalerweise einmal im Jahr) kalibriert werden.

   

RF IV-Instrumente müssen jedes Mal kalibriert werden, wenn sie eingeschaltet werden oder die Frequenzeinstellung geändert wird. Denn bei hoher Frequenz haben die Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und Frequenzeinstellung einen großen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Für die Kalibrierung sind Leerlauf, Kurzschluss und Standardlast (manchmal ist eine Kapazität mit geringem Verlust erforderlich) erforderlich. Die Kalibrierungsebene befindet sich an der Position des Stecker Anschließen des Kalibrierstücks.

 

Abbildung 26: Kalibrierungsmethode und Kalibrierungsebene des RF IV-Instruments

 

3.3Kompensieren

       

Durch die Kompensation kann der Einfluss der Fehlerquelle zwischen DUT und Instrumentenkalibrierungsebene verringert werden. Durch die Kompensation kann der Fehler jedoch nicht vollständig beseitigt werden, und die nach der Kompensation erzielte Messgenauigkeit kann nicht die auf der „Kalibrierungsebene“ erzielte Genauigkeit erreichen. Die Kompensation unterscheidet sich von der Kalibrierung und kann die Kalibrierung nicht ersetzen. Daher muss die Kompensation nach der Kalibrierung durchgeführt werden. Eine Kompensation kann die Messgenauigkeit des Instruments effektiv verbessern. Hier sind drei gängige Kompensationstechnologien.

 

3.3.1 Offsetkompensation

   

Wenn die Messung nur durch eine einzelne Restkomponente beeinflusst wird, kann der effektive Wert durch Subtrahieren des Fehlerwerts vom gemessenen Wert ermittelt werden. Bei der Messung niedriger Kapazitätswerte, wie in der Abbildung unten dargestellt, hat die Streukapazität CO parallel zur DUT-Kapazität CX den größten Einfluss auf die Messergebnisse, was durch Subtrahieren der Streukapazität vom Messwert cm kompensiert werden kann. Der Wert der Streukapazität kann ermittelt werden, wenn der Messanschluss offen ist.

Abbildung 27 Offsetkompensation

 

3.3.2 Unterbrechungs- und Kurzschlusskompensation

 

Die Leerlauf- und Kurzschlusskompensation ist die am häufigsten verwendete Kompensationstechnologie in Impedanzmessgeräten. Bei dieser Methode wird davon ausgegangen, dass die Restparameter der Testvorrichtung durch eine einfache L/R/C/g-Schaltung dargestellt werden können, wie in Abbildung (a) unten dargestellt. Wenn der unbekannte Anschluss offen ist, wie in Abbildung (b) unten gezeigt, nehmen Sie die gemessene Streuadmittanz go + jwco als yo, da die Restimpedanz ZS ignoriert werden kann. Wenn der unbekannte Anschluss kurzgeschlossen ist, wie in Abbildung (c) unten dargestellt, stellt die gemessene Impedanz die Restimpedanz ZS = RS + jwls dar, da yo umgangen wird. Da jeder Restparameter bekannt ist, kann auf diese Weise die Impedanz zdut des Prüflings anhand der in Abbildung (d) unten angegebenen Formel berechnet werden.

Abbildung 28 Unterbrechungs-/Kurzschlusskompensation

 

3.3.4 Leerlauf-, Kurzschluss- und Lastkompensation

   

Es gibt viele Messbedingungen und komplexe Restparameter können nicht gemäß dem in der obigen Abbildung gezeigten einfachen Ersatzschaltbild modelliert werden. Die Leerlauf-/Kurzschluss-/Lastkompensation ist eine fortschrittliche Kompensationstechnologie, die für komplexe Reststromkreise geeignet ist. Um Unterbrechung/Kurzschluss/Last zu kompensieren, müssen vor der Messung des Prüflings drei Messungen durchgeführt werden, d. h. Unterbrechung und Kurzschluss am Ende der Prüfvorrichtung, und der Referenz-Prüfling (Last) angeschlossen werden. Bei der Prüflingsmessung können die gewonnenen Messergebnisse (Daten) in die Berechnung einfließen. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, handelt es sich bei dem durch Leerlauf-/Kurzschluss-/Lastkompensation erstellten Restimpedanzmodell der Prüfvorrichtung um einen Netzwerkkreis mit 4 Anschlüssen, der durch ABCD-Parameter dargestellt wird. Wenn diese drei Elemente bekannt sind und der 4-Terminal-Netzwerkschaltkreis ein linearer Schaltkreis ist, kann jeder Parameter bekannt sein.

 

In den folgenden Fällen muss eine Unterbrechungs-/Kurzschluss-/Lastkompensation verwendet werden:

Zusätzliche passive Schaltkreise oder Komponenten werden angeschlossen (z. B. externe DC-Bias-Schaltkreise, symmetrische unsymmetrische Transformatoren, Dämpfungsglieder und Filter).

Verwenden Sie einen Scanner, Multiplexer oder Matrixschalter.

Verwenden Sie ein Testkabel mit einer nicht standardmäßigen Länge oder verlängern Sie das 4-TP-Kabel durch ein Standard-Agilent-Testkabel.

Verstärken Sie das Testsignal mit einem Verstärker.

Verwenden Sie die Komponentenkartusche.

Verwenden Sie die vom Benutzer hergestellte Testvorrichtung.

 

Unter den oben aufgeführten Bedingungen erfüllt die Unterbrechungs-/Kurzschlusskompensation nicht die Anforderungen und die Messergebnisse weisen erhebliche Fehler auf.

 

 

Abbildung 29 Unterbrechung / Kurzschluss / Lastkompensation

 

3.4 Fehler durch Kontaktwiderstand

   

Jeder Kontaktwiderstand zwischen der Prüflingselektrode und der Prüfvorrichtung oder Prüfstandelektrode führt zu Prüffehlern. Der Kontaktwiderstand des 2-Klemmen- oder 4-Klemmen-Anschlussmodus des Prüflings ist unterschiedlich. Bei einer 2-Klemmen-Verbindung überlagert sich der Kontaktwiderstand mit der Impedanz des Prüflings in Reihe, was zu einem positiven Fehler bei der D-Messung (Verlustfaktor) führt. Bei einer 4-Port-Verbindung gibt es die Kontaktwiderstände RHC, RHP, RLC und RLP, wie in Abbildung (b) unten dargestellt. Der Einfluss des Kontaktwiderstands verschiedener Anschlüsse ist ebenfalls unterschiedlich. RHC reduziert den an das DUT angelegten Testsignalpegel, führt jedoch nicht direkt zu Messfehlern. RLP kann zu einem Ungleichgewicht der automatischen Unruhbrücke führen, dieser Effekt kann jedoch normalerweise ignoriert werden. RHP und CHP stellen einen Tiefpassfilter dar, der zu einer Dämpfung und Phasenverschiebung des HP-Eingangssignals führt, was zu Messfehlern führt.

 

Abb. 30 Fehler durch Kontaktwiderstand

 

3.5 Durch Kabelerweiterung verursachter Fehler

   

Das vom Instrument ausgehende 4-tp-Messkabel verursacht den Amplitudenfehler und die Phasenverschiebung des Messsignals entsprechend der Länge und Messfrequenz des verlängerten Kabels. Die Kabelerweiterung bringt die folgenden zwei Probleme mit sich:

 

Fehler bei der Impedanzmessung und Brückenunsymmetrie

   

Der Messfehler wird hauptsächlich durch die an den HP- und LC-Enden angeschlossenen Kabel verursacht. Wenn Länge und Ausbreitungskonstante des Kabels bekannt sind, kann das Gerät dies kompensieren. Die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife einschließlich RR, Verstärker sowie LP- und LC-Kabel führt zu einem Ungleichgewicht der Brücke. Allerdings kann eine Phasenverschiebungskompensation innerhalb des Rückkopplungskreises durchgeführt werden. Nur im höheren Frequenzbereich (normalerweise höher als 100 kHz) haben diese beiden Probleme erhebliche Auswirkungen, und das Impedanztestgerät von Agilent kann das von Agilent bereitgestellte Kabel kompensieren. Im unteren Frequenzbereich verringert die Kapazität des Kabels nur die Messgenauigkeit (ohne die Brückenbalance zu beeinträchtigen).

 

Die Kabellängenkompensation wird für Testkabel mit bekannter Länge und Ausbreitungskonstante verwendet, z. B. 1 m (2 m oder 4 m) lange Testkabel von Agilent. Werden Kabel unterschiedlicher Länge und Art verwendet, kann es neben Messfehlern auch zu Brückenunsymmetrien kommen.

 

3.6Kalibrierung und Kompensation der Parallel-Straight-Through-Methode

   

Wenn e5061b zum Testen der Milliohm-Impedanz von PDN verwendet wird, muss die Parallel-Durchgangsmethode auch Kalibrierung und Kompensation berücksichtigen. Im Allgemeinen wird beim Testen niedriger Frequenzen der Verstärkungsphasentestanschluss verwendet. Im Allgemeinen kann nur durch Kalibrierung eine ausreichende Impedanztestgenauigkeit erreicht werden. Verwenden Sie beim Testen der Hochfrequenz den S-Parameter zum Testen des Ports, der mit Sol oder Sol-Kalibrierung plus Porterweiterung kalibriert werden kann. Wenn der Sondentisch verwendet wird, kann das vom Sondentisch bereitgestellte Kalibrierungsstück mit Sol direkt auf die Position der Sondenspitze kalibriert werden.

 

Abb. 31 Kalibrierung und Kompensation der Parallel-Straight-Through-Methode zur Messung niedriger Impedanz

四、Testen Sie Kabel und Klemmen

 

Beim Anschluss des Prüflings an den Messanschluss des automatischen Brückenwaageninstruments gibt es mehrere optionale Anschlusskonfigurationen. Beim HF-Impedanzmessgerät kann nur die Verbindungskonfiguration mit zwei Anschlüssen verwendet werden.

 

4.1 Terminalkonfiguration

   

Die Frontplatte des automatischen Balance-Brückeninstruments ist im Allgemeinen mit vier bekannten Anschlüssen (HC, HP, LP und LC) ausgestattet. Es gibt verschiedene Konfigurationsmethoden zum Verbinden von Prüfling und unbekanntem Terminal. Da jede Methode ihre eigenen Vor- und Nachteile hat, muss entsprechend der Impedanz des Prüflings und der erforderlichen Messgenauigkeit die am besten geeignete Konfigurationsmethode ausgewählt werden.

   

2-Terminal-Konfiguration (2T):

   

Dies ist die einfachste Methode, allerdings gibt es bei dieser Methode viele Fehlerquellen. Die Leitungsinduktivität, der Leitungswiderstand und die Streukapazität zwischen den beiden Leitungen werden den Messergebnissen überlagert. Aufgrund dieser Fehlerquellen ist der typische Impedanzmessbereich (ohne Kompensation) auf 100 Ohm bis 10 kOhm begrenzt.

Abbildung 32 2-Terminal-Konfiguration (2t).

 

   

3-Terminal-Konfiguration (3T):

   

Koaxialkabel werden verwendet, um den Einfluss von Streukapazitäten zu reduzieren. Der Außenleiter (Schirm) des Koaxialkabels wird an die Schutzklemme angeschlossen. Dadurch kann die Messgenauigkeit im Messbereich mit höherer Impedanz verbessert werden. Da jedoch weiterhin Leitungsinduktivität und Leitungswiderstand vorhanden sind, kann die Messgenauigkeit im Bereich mit niedrigerer Impedanz nicht verbessert werden. Der typische Impedanzbereich kann auf mehr als 10 kOhm erweitert werden.

Abbildung 33 3-Terminal-Konfiguration (3T).

 

 

4-Terminal-Konfiguration (4T):

   

Der Einfluss der Leitungsinduktivität kann reduziert werden, da der Signalstrompfad und das schaltkreisempfindliche Kabel voneinander unabhängig sind. Die Genauigkeit niedrigerer Impedanzmessbereiche bis hin zu 1 Ohm kann im Allgemeinen verbessert werden. Wenn die Impedanz des Prüflings weniger als 1 Ohm beträgt, fließt ein großer Signalstrom durch den Strompfad, und seine gegenseitige induktive Kopplung mit dem spannungsempfindlichen Kabel führt zu Fehlern.

Abbildung 34 4-Terminal-Konfiguration (4T).

   

5-Terminal-Konfiguration (5T):

       

Es handelt sich um eine Kombination aus 3T- und 4T-Konfigurationen. Es ist mit vier Koaxialkabeln ausgestattet und die Außenleiter dieser vier Kabel sind mit dem Schutzende verbunden. Diese Konfiguration verfügt über einen großen Messbereich von 1 Ohm bis 10 mOhm, das Problem der gegenseitigen Induktivität besteht jedoch weiterhin.

Abbildung 35 5-Terminal-Konfiguration (5T).

   

Verwendung von Testkabeln bei hohen Frequenzen:

   

Die 4tp-Konfiguration ist die beste Lösung für die Impedanzmessung über einen großen Bereich. Da jedoch bei der grundlegenden 4tp-Messung die Kabellänge kürzer als die Wellenlänge sein muss, ist die Kabellänge durch die Messfrequenz begrenzt. Um diese Einschränkung zu ermitteln, kann die folgende Formel verwendet werden: Grundlage der Impedanzmessung (Fortsetzung)

       

Hier: F ist die Messfrequenz (MHz)

             

L ist die Kabellänge (m)

   

Bei einer Kabellänge von 1 m beträgt die maximale Frequenzgrenze etwa 15 MHz. Wenn die Kabellänge oder die Frequenz diesen Grenzwert überschreitet, ist die automatische Balance-Brücke möglicherweise nicht ausgeglichen. Für die Impedanzmessung bei höheren Frequenzen (normalerweise über 100 kHz) ist außerdem eine Kabellängenkompensation erforderlich.

 

4.2 Testvorrichtung

   

Bei der Impedanzmessung spielt die Prüfvorrichtung sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht eine wichtige Rolle. Die Qualität der Vorrichtung bestimmt die Grenze der gesamten Messqualität.

   

Agilent bietet je nach Art der getesteten Teile verschiedene Arten von Testvorrichtungen an. Um die am besten geeignete DUT-Prüfvorrichtung auszuwählen, müssen nicht nur die physische Anordnung des Kontakts, sondern auch der verfügbare Frequenzbereich, Restparameter und die zulässige Gleichspannung berücksichtigt werden. Das Kontaktende (DUT-Anschluss) der Prüfvorrichtung kann je nach Anwendung zwei- oder vierseitig sein.

   

Wenn der Prüfling die von Agilent bereitgestellte Testvorrichtung nicht verwenden kann, kann eine spezielle Testvorrichtung für die Anwendung angefertigt werden. Bei der Herstellung von Testvorrichtungen müssen die folgenden Schlüsselfaktoren berücksichtigt werden.

   

1.Restparameter müssen minimiert werden.

   

Um Restparameter zu minimieren, sollte die 4tp-Konfiguration so nah wie möglich am DUT liegen. Darüber hinaus kann die richtige Schutztechnologie den Einfluss von Streukapazitäten beseitigen.

   

2. Der Kontaktwiderstand muss minimiert werden.

   

Der Kontaktwiderstand führt zu Fehlern in der Nähe. Bei einer 2tp-Konfiguration wirkt sich dies direkt auf die Messergebnisse aus. Die Kontaktelektroden müssen fest mit dem Prüfling verbunden sein und jederzeit sauber gehalten werden. Elektroden müssen aus korrosionsbeständigen Materialien bestehen.

   

3.Kontakte müssen öffnen und kurzschließen können.

 

Durch eine Unterbrechungs-/Kurzschlusskompensation kann der Einfluss von Restparametern der Messvorrichtung leicht reduziert werden. Für die Leerlauf-/Kurzschlussmessung muss die Kontaktelektrode offen und kurzgeschlossen sein. Bei Leerlaufmessungen muss die Kontaktelektrode im gleichen Abstand platziert werden wie beim Anschluss an den Prüfling. Zur Kurzschlussmessung muss ein verlustfreier (niederohmiger) Leiter zwischen die Elektroden geschaltet oder direkt mit der Kontaktelektrode verbunden werden. Wenn Sie die Elektrode in einer Konfiguration mit 4 Anschlüssen belassen möchten, sollten Sie zunächst den Stromanschluss und den Potenzialanschluss verbinden.

 

4.3 Kabel testen

   

Wenn zwischen dem zu prüfenden DUT und dem Instrument ein gewisser Abstand besteht, muss der Prüfanschluss (unbekannter Anschluss) mit einem Kabel erweitert werden. Wenn die Länge des Verlängerungskabels nicht berücksichtigt wird, führt dies nicht nur zu Fehlern, sondern führt auch zu einem Ungleichgewicht der Brücke, sodass eine Messung unmöglich ist.

   

Agilent bietet dem Gerät verschiedene Testkabel mit einer Länge von 1 m, 2 m und 4 m an. Bei der Auswahl des Prüfkabels müssen die Kabellänge und der verfügbare Frequenzbereich berücksichtigt werden. Da der Kabelfehler bekannt ist, kann das Gerät von Agilent den Einfluss des Messkabels minimieren. Der Testfehler nimmt mit zunehmender Kabellänge und Messfrequenz zu.

   

Es wird empfohlen, keine Kabel zu verwenden, die nicht von Agilent empfohlen werden, und die Kompensationsfunktion des Geräts ist möglicherweise nicht auf Kabel anwendbar, die nicht von Agilent stammen. Wenn Kabel verwendet werden müssen, die nicht von Agilent stammen, sollten dieselben oder gleichwertige Kabel wie die Testkabel von Agilent verwendet werden. Verwenden Sie für höhere Frequenzen keine Kabel, die nicht von Agilent geliefert wurden. Um das Erweiterungskabel mit 4tp-Konfiguration zu verwenden, muss die Kabellänge 1 m oder 2 m betragen, was durch Messgeräte ausgeglichen werden kann. Wenn ein Fehler in der Kabellänge vorliegt, führt dies zu weiteren Fehlern.

 

4.4 Beseitigen Sie den Einfluss von Streukapazitäten

     

Wenn der Prüfling eine hohe Impedanz (dh eine niedrige Kapazität) aufweist, kann der Einfluss der Streukapazität nicht ignoriert werden. Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird für das Beispiel der Messung des DUT mit 4-poligem Kontakt CD parallel zum DUT geschaltet. Wenn eine leitende Platte unter dem DUT platziert wird, wird ihre kombinierte Kapazität (CH / / CL) ebenfalls parallel zum DUT geschaltet, was zu Messfehlern führt. CD kann minimiert werden, indem eine Schutzplatte zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende platziert wird. Darüber hinaus können sich die Auswirkungen von CH und CL gegenseitig ausgleichen, wenn das Schutzende mit dem Leiter verbunden wird.

Grundlagen der Impedanzmessung (Fortsetzung)

Die Schutztechnologie nach Abbildung 36 eliminiert den Einfluss von Streukapazitäten

 

4.5 Terminalkonfiguration und Testvorrichtung im HF-Bereich

   

Das HF-Impedanzmessgerät verfügt über einen präzisen koaxialen Messanschluss. Im Prinzip handelt es sich um eine 2-polige Konfiguration. Der Mittelleiter des koaxialen Messanschlusses Stecker ist das aktive obere Ende und der Außenleiter ist das geerdete untere Ende. Das DUT kann nur mit der einfachsten 2-poligen Anschlusskonfiguration gemessen werden. Die Restinduktivität, der Restwiderstand, die Streukapazität und die Streuleitfähigkeit der Prüfvorrichtung werden den Messergebnissen (vor der Kompensation) überlagert. Ob HF-IV-Methode oder Netzwerkanalysemethode, je mehr die gemessene Impedanz von 50 Ohm abweicht, desto geringer ist die Genauigkeit der HF-Impedanzmessung. Der Einfluss der Restparameter nimmt mit zunehmender Frequenz zu. Je höher die Frequenz, desto enger ist der messbare Impedanzbereich.

   

Die HF-Prüfvorrichtung sollte speziell dafür ausgelegt sein, die Leitungslänge (elektrische Pfadlänge) zwischen dem Prüfling und dem Prüfanschluss so kurz wie möglich zu halten, um die Restparameter zu minimieren. Wenn die Frequenz niedriger als 100 MHz ist, ist der durch die Restparameter des Testgeräts verursachte Fehler im Allgemeinen geringer als der Instrumentenfehler, der nach der Kompensation ignoriert werden kann. Wenn jedoch die niedrige oder hohe Impedanz in der Nähe der Restparameter gemessen wird, führt die Änderung der Restparameter der Prüfvorrichtung zu einer Wiederholbarkeit der Messergebnisse. Die Änderung der Restparameter und die Instabilität der Messergebnisse hängen von der Positionierungsgenauigkeit des Prüflings auf dem Prüfgerätterminal ab. Für wiederholte Messungen muss die HF-Testvorrichtung in der Lage sein, den Prüfling genau auf dem Messterminal zu positionieren.

   

Bei hoher Frequenz (normalerweise höher als 500 MHz) haben die Restparameter des Testgeräts einen größeren Einfluss auf die Messergebnisse und verengen den tatsächlichen Messbereich. Daher begrenzt der verfügbare Frequenzbereich der Prüfvorrichtungen die maximale Frequenz verschiedener Prüfvorrichtungen. Die Summe der Ungenauigkeit des Instruments und des durch die Prüfvorrichtung verursachten Fehlers bestimmt die Ungenauigkeit der Messergebnisse des Prüflings. Da nur eine Konfiguration mit zwei Anschlüssen verwendet werden kann, ist die Kompensation der Schlüssel zum Erreichen der besten Messgenauigkeit.

   

Der offizielle WeChat-Account erinnert daran: Alle Arten von Testvorrichtungen haben ihre eigenen Eigenschaften und Strukturen. Da nicht nur die Restparameter den DUT-Messwert beeinflussen, sondern auch die Umgebung des DUT (wie Erdungsplatte, Anschlussanordnung, Dielektrizitätskonstante des Isolators usw.), muss die Es sollte der gleiche Prüfvorrichtungstyp verwendet werden.

   

Es gibt zwei Arten von HF-Testvorrichtungen: koaxiale Testvorrichtungen und nicht koaxiale Testvorrichtungen. Der Unterschied liegt in ihrer geometrischen Struktur und ihren elektrischen Eigenschaften. Die nicht koaxiale Testklemme hat ein offenes Messende, was den Anschluss und die Demontage des DUT erleichtert. Die nicht koaxiale Vorrichtung eignet sich zum Testen einer großen Anzahl von Geräten mit hoher Effizienz. Diese hohe Effizienz geht jedoch auf Kosten der Messgenauigkeit bei hohen Frequenzen, da es zu Diskontinuitäten (Fehlanpassungen) der elektrischen Eigenschaften zwischen koaxialen und nicht koaxialen Testvorrichtungen kommt. Stecker Komponenten und Prüfanschlüsse.

   

Die koaxiale Prüfvorrichtung fixiert den Prüfling mit einer Konfiguration, die dem koaxialen Ende ähnelt, das mit der Mittelelektrode und der Außenleiterkappenelektrode der Prüfvorrichtung verbunden ist. Da eine kontinuierliche charakteristische Impedanz von 50 Ohm vom Prüfanschluss zum Prüfling aufrechterhalten wird, kann die Koaxial-Prüfvorrichtung die höchste Messgenauigkeit und den besten Frequenzgang bestehen. Da eine wiederholbare Anzahl von Isolatordurchmessern ausgewählt werden kann, um den Spalt zwischen dem Prüfling und dem Isolator zu minimieren, kann der Prüfling am Ende der Prüfvorrichtung positioniert werden, wo die beste Wiederholgenauigkeit ohne die Geschicklichkeit des Bedieners erzielt werden kann. Daher kann die koaxiale Prüfvorrichtung einen geringeren zusätzlichen Fehler und eine viel höhere Wiederholgenauigkeit der Messung erzielen als die nicht koaxiale Prüfvorrichtung.

Grundlagen der Impedanzmessung (Fortsetzung)

Abbildung 37: typische HF-Impedanztestvorrichtung

Die Marke „Kinghelm“ wurde ursprünglich von der Firma Golden Beacon registriert. Golden Beacon ist ein Hersteller von GPS-Geräten mit Direktvertrieb. Antenne und Beidou Antenne. Es hat eine sehr hohe Popularität und einen guten Ruf in der Beidou GPS-Navigations- und Ortungsbranche. Die F & E- und Produktionsprodukte werden häufig in der BDS-Satellitennavigation und -ortung, der drahtlosen Kommunikation und anderen Bereichen eingesetzt. Die Hauptprodukte umfassen: RJ45-RJ45-Netzwerk, Netzwerkschnittstelle Stecker, RF Stecker Adapter, Koaxialkabel Stecker, Typ C Stecker, HDMI-Schnittstelle, Typ-C-Schnittstelle, Pin und Bus, SMA, FPC, FFC Antenne Stecker, Antenne Signalübertragung wasserdicht Stecker, HDMI-Schnittstelle, USB-Anschluss, Klemmenleiste, Klemmbrettklemme, Klemmenleiste, RF RFID Tag Positionierung Navigation Antenne, Kommunikation Antenne Verbindungskabel, Gummistab Antenne, Saugantenne, 433 Antenne, 4G Antenne, GPS-Modul Antenneusw. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Kommunikations-, [敏感词]-Industrie, der Instrumentierung, der Sicherheit, der Medizin und anderen Branchen verwendet.

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