Impedance Measurement Fundamentals

Agilent 428X 系列 LCR 表 用户培训

应用工程师 : 胡海洋 电话 :021-64745500-8578 手机 :13601839398 电子邮件 :haiyang_hu@agilent.com 技术支持热线 :800-810-0189 时间安排 : 9:00~11:00 1:30~4:00 Page 2

428X 系列 LCR 表 4284A 精密 LCR 表 (20 Hz to 1 MHz; 10m~100MΩ ) 4285A 通用精密 LCR 表 (75 khz to 30 MHz; 10m~100MΩ ) 4288A 电容表 (1 khz/1 MHz; 1m~100MΩ ) 4287A RF LCR 表 (1 MHz to 3 GHz;200m~3kΩ ) Page 3

内容安排 阻抗测量原理 4284A/4285A/4288A LCR 表介绍 4287A RF LCR 表介绍 Page 4

1. 阻抗基础 阻抗测量方法 夹具和电缆连接 校准和补偿 Page 5

LCR 与阻抗 为什么叫 LCR 表? LCR 和阻抗的关系是什么? 阻抗和导纳的关系是什么? 什么是品质因子 Q? 什么是损耗因子 D? 为什么要测阻抗? D U T Page 6

什么是阻抗? 矢量 交流测试信号 +j X Z 阻抗的单位 : Ω 欧姆 Z = R jx = θ Z + θ 2 = R + X 2 = tan ( ) R 1 X Z Imaginary Axis θ R Real Axis R= Z cosθ X = Z sinθ -j Page 7

什么是导纳? 1 Y= Z +j B Y Y=1/Z Y = G + jb= Y Y 2 = + 2 G θ = tan 1 G = Y B B ( ) G cosθ θ Imaginary Axis θ G Real Axis B= Y sinθ -j 导纳的单位 :Siemen 西门子 Page 8

阻抗和导纳 R jx Z = R+jX R jx Z jrx R+ jx RX R + X R X R + X 2 2 = = + 2 2 j 2 2 复杂 G Y = G+jB 简单 jb Page 9

阻抗同电感 L 和电容 C 的关系 理想电感 理想电容 L 单位 :H C 单位 :F Z = X L = 2πfL = ωl Z=j ωl Z = X c = 1/(2πfC) = 1/(ωC) Z= 1/(jωC)= -j/(ωc) Z=R+jX Page 10

阻抗 vs. 频率 ( 电感和电容 ) 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G For C: Z = 1/(2πfC) For L: Z = 2πfL Page 11 100mH 1H 10mH 1mH 10nF 1nF 100nF 100pF 10pF 1pF 100fF 10fF 10M 1uF 100pH 10nH 1nH 100nH 10uH 1uH 100uH 1M 100K 10K 1K 10uF 100uF 1mF 10mF 100mF 100 10 1 Impedance (Ohms) 100m Frequency (Hz)

阻抗和导纳之间的关系 1. 感性矢量 ( 阻抗 ) 2. 容性矢量 ( 阻抗 ) jx L δ δ θ R Z R jx L -jx C δ θ R Z R -jx C 3. 感性矢量 ( 导纳 ) 4. 容性矢量 ( 导纳 ) -jb L δ θ G Y G -jb L jb C δ θ G Y G jb C Page 12

品质因子 Q 和损耗因子 D Q = X/R = ( 储备能量 )/( 损失能量 ) D = 1/Q ( 主要针对电容 ) 1 1 Q = = = D tanδ X L R = - X R C 原件越好, R 0 BL = G = BC G +j Imaginary Axis X Z δ θ R Q D 0 Z=R+jXc Y=G+jB -j Page 13

为什么我们要测试阻抗? 电子器件的寄生参数 Page 14

实际电容模型 包含寄生参数 Page 15

如何选择电路模型? 电容模型 Rs, Ls, Rp, Cp? 串联模型 Rs Cs Rp 并联模型 Cp 低阻抗器件 Z<10Ω 大电容 C, 小电感 L 高阻抗器件 Z>10kΩ 小电容 C, 大电感 L Page 16

哪一个模型正确? Rp Rs Cs Series model Cp Parallel model 两种都正确 C S = C P (1 + D 2 ) 在特定情况下, 其中一种更近似反映实际情况 对于高 Q 或者低 D 的器件, C S C P Page 17

为什么我们要测试阻抗? 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 Page 18

频率 ( 电阻 ) 1. 高阻值电阻 2. 低阻值电阻 R R Z Co 寄生电容 Ideal Resistor Z Lo 引线电感 Ideal Resistor Frequency Frequency Page 19

频率 ( 电感 ) 1. 普通电感 L Ro 电缆电阻 2. 高磁芯损耗的电感 L Co 寄生电容 Co 寄生电容 Z Ro 磁芯损耗 Z Ideal Inductor Ro Ro Effect of Co Ideal Inductor Frequency Effect of Co Frequency Page 20

频率 ( 电容 ) C Ro 等效串联电阻 (ESR) Lo 引线电感 Z Effect of Lo Ro Ideal Capacitor Frequency Page 21

频率和电抗 电容 X Xc 1 = X = ωl L ωc Frequency Page 22

阻抗测量例子 谐振频率 A: Z B: 0 MKR 63 200 000.000 Hz A MAX 50.00 Ω MAG 47.2113 m Ω B MAX 100.0 deg PHASE 659.015 mdeg Capacitor Characteristics A MIN 20.00 mω B MIN -100.0 deg START 10 000 000.000 Hz STOP 150 000 000.000 Hz Page 23

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) C 表面封装器件 High K C = Kε 0 A d Medium K Low K Test Voltage (Vac) Vac Page 24

交流信号电流的影响 ( 电感 ) 与交流电流有关的磁芯电感器 L 0 Test Current Iac Page 25

直流偏置电平的影响 ( 电容 ) 陶瓷电容 C / % 2 0-2 -4-6 -8-10 -20 低介电常数 高介电常数 0 50 100 DC Bias Voltage Vdc Page 26

直流偏置电流的影响 ( 电感 ) 磁芯电感器 L (%) 2 0-2 -4-6 -8-10 -20 0 50 100 Id DC Bias Current Page 27

温度相关性 ( 陶瓷电容 ) C 0 Mid K High K 2 5 Temperature ( C) Page 28

其它影响因素 ( 老化 ) 陶瓷电容的老化相关性 0 C 1 10 10 2 10 3 10 4 Time (Hours) Page 29

LCR 与阻抗 为什么叫 LCR 表? LCR 和阻抗的关系是什么? 阻抗和导纳的关系是什么? 什么是品质因子 Q? 什么是损耗因子 D? 为什么要测阻抗? D U T Page 30

1. 阻抗基础 阻抗测量方法 夹具和电缆连接 校准和补偿 100M Auto-Balancing Bridge 总结 Impedance (Ω) 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 1 RF I-V Network/Reflection 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K1M 10M 100M1G 10G Frequency (Hz) Page 31

电桥法 Z1 Zx Z2 Z3 Zx = Z Z 1 Z 2 3 Page 32

谐振法 (Q Meter) 未知器件 Ld(Xd), Rd Oscillator ~ E Xc C V V X Q = V I X R d d V E R c = = = = X R c d d = RdV E V E 1. 调谐电容 C 使达到谐振 2. 谐振条件 :Xd=-Xc 由于测量电路损耗很低, 因此可以测量高大 1000 的 Q Page 33

I-V 法 (Probe) Oscillator R V 2 V1 Zx I 低损互感器测电流 Zx = V I V 2 = I R 1 = V R 1 V 2 Page 34

I-V 法测量阻抗产品 + Agilent 4294A with 42941A Impedance Probe Kit + Agilent 4194A with 41941B Impedance Probe Kit Page 35

射频 I-V 法 高阻抗测试 低阻抗测试 Voltage Probe Vi Current Probe Vi Current Probe I Voltage Probe Vv Ro V Ro I DUT Ro V Vv Ro DUT Page 36

RF I-V 更宽的频率 & 阻抗测量范围 100M Auto-Balancing Bridge 7mm 4TP 10M 1M Impedance (W) 100K 10K 1K 100 10 1 RF I-V Network 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G Frequency (Hz) Page 37

RF I-V 法阻抗测量产品 Agilent Technologies E4491A (1MHz 3GHz) Agilent Technologies 4287A (1MHz 3GHz) Agilent Technologies 4291B (1MHz 1.8GHz) Page 38

反射系数法 ( 网络分析仪 ) V INC V R D U T ZL Γ = V R VINC = Z L- Z O Z L+ ZO Zo : 特性阻抗 Γ : 反射系数 Page 39

在不同边界条件下的反射波 Waveform Examples V R 条件 Z 条件 V INC V R V R = 0 (Z = Z ) V R V R = -V INC (Z L = 0) V R V R = V INC (Z = ) L L O Page 40

反射系数测量 定向耦合器 V V 振荡器 入射信号 DUT 反射信号 Page 41

射频 I-V 法 vs. 反射系数法 CH1 Z T&B 50 k, 500 m CH2 z 20 / REF 0 * C+ Cmp De l Hl d C+ Cmp De l Impedance (Ω) 100K 10K 1K 100 10 1 RF-IV Technique Reflection Coefficient Technique (Network Analyzer) Hl d OSC 500 mv BI AS OFF START 1 MHz STOP 1. 8 GHz 100m 10m 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G Frequency (Hz) Page 42

射频 I-V 法 vs. 反射系数法 Impedance [Ω] Range 100K 10K RF I-V Method 100K 10K 1K 1pF 1K 100 10 Reflection Coefficient Method (Network Analyzer) 100 10 1 1nH 1 0.1 1M 10M 100M 1G 0.1 2G Freq. [Hz] Page 43

Q 因子测量精度 网络分析仪 阻抗分析仪 RF-IV Qx/Qx(%) 300 200 Qx=100 Qx/Qx(%) 100 90 80 70 60 50 40 Qx=500 Qx=300 100 30 20 Qx=100 10 0 1M 10M 100M 1G 2G 0 1M 10M 100M 1G 2G Page 44

TDR ( 时域反射法 ) Oscilloscope V INC V R DUT Z L Step Generator Series R and L Γ = V V R INC = Z Z OUT OUT + Z Z 0 0 Parallel R and C Zo: Characteristic Impedance 0 t Page 45

网络分析仪和 TDR 产品 Agilent 8752x and 8753x (300KHz - 6GHz) Agilent 8510x (45MHz 110GHz) Agilent 8719x and 8720x (130MHz 20GHz) Agilent 86100B DCA + Agilent 54754A Differential TDR Module Page 46

自动平衡电桥法 Virtual ground H DUT L R r V 1 I I = I r - I r + V 2 = -I r R r V2 Z = V 1 I r = -V 1 R r V 2 < 100kHz Page 47

自动平衡电桥法 高频平衡电桥电路 零回路相位特性补偿 Connecti on L p L c V2 R r 4TP Vf 零位检测器 V 40Hz - Ef 110MHz 矢量调制器 Page 48

自动平衡电桥法 特性阻抗终端 A V 4TP R0 R0 R0 R0 Lc Lp Hp Hc Virtual Ground (0V) DUT Page 49

自动平衡电桥 Signal Source Section Amp Edut Hp DUT Zx Lc Err Range resistor Buffer Vector Ratio Detector Section Mixer Amp Zx = Rr x (Edut/Err) ATT A/D OSC Source resistor Hc Lp Null detector Buffer Local 0 /90 Phase detector Integrator Rr Hc Names of 4 terminals Hcur High-current Modulator Power amplifier Hp Lp Hpot Lpot High-potential Low-potential Auto-Balancing Bridge Section Lc Lcur Low-current Page 50

自动平衡电桥 频率 / 阻抗扩展 高频范围从 40MHz 扩展到 110MHz 100M 10M 1M 100K Autobalancing Bridge 4TP 阻抗测量范围 (Ω) 10K 1K 100 10 1 100nF Capacitor 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G 测量频率范围 (Hz) Page 51

自动平衡电桥阻抗测试产品 Agilent 4294A Agilent 4263B, 4268A and 4288A Agilent 4194A gilent 4278A, 4279A, 4284A and 4285A Agilent 4192A Page 52

阻抗测量方法 测量方法选择标准 频率 DUT 阻抗 要求测量精度 测量条件 测试参数 DUT 的物理特性 ( 尺寸, 形状 ) Page 53

频率 vs 测量技术 5HZ 10kHz 22kHz 100kHz 网络分析仪 射频 I-V 法 1 MHz 3 GHz I-V 法 谐振法 自动平衡电桥法 70MHz 110MHz 110MHz 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G Frequency (Hz) Page 54

阻抗图 10M 1M 100K 10K 1K 100 10uH 1mH 100uH 10 1 100m C or L Impedance For C, Z = 1/(2πfC) 10nH 1uH 100nH 1nH 100pH 1H 100mH 10mH 10nF 1nF 100nF 100pF 10pF 1pF 100fF 10fF 1uF 10uF 100uF For L, Z = 2πfL 1mF 10mF 100mF 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M100M 1G Frequency (Hz) Page 55 Impedance (Ω)

阻抗测量方法 Impedance (Ω) 100M 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 1 Auto-Balancing Bridge 10% 10% of of the the measurement accuracy range range for for each each method method RF I-V Network/Reflection 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G Frequency (Hz) Page 56

那种方法最好? All are good. Each has advantages and disadvantages. Multiple techniques may be required. Page 57

测量方法总结 电桥法 测试方法优点缺点频率范围 很宽频率范围高精度 (0.1%) 需要手动平衡 对于单台仪器, 只有较窄的频率覆盖范围 DC - 300MHz 谐振法 高 Q 值测量精度高. 需要调谐到谐振 阻抗测量精度低 10kHz - 70MHz I-V 可测量接地器件 适合于探头类测试需要 工作频率范围受限于探头使用的互感器 40Hz - 110MHz 射频 I-V 高精度 (1%). 高频下的宽阻抗范围. 工作频率范围受限于测试头使用的互感器 1MHz - 3GHz 反射系数法 高频范围干边测量频率需要重新校准 被测试阻抗接近特性阻抗时阻抗测量范围窄的高精度 30kHz and above 自动平衡电桥法 从 LF 至 HF 的宽频率覆盖范围 在宽的阻抗范围上的高精度 不能使用于更高频率范围 5Hz - 110MHz Page 58

测量方法选择 自动平衡电桥 高精度, 高 Q 和低 D 测量, 频率范围 <110MHz RF I-V 高频测量, 高 Q 和低 D 测量, 频率范围 1MHz-3 GHz 网络分析仪 高频测量 > 3 GHz TDR Impedance (Ω) Auto-Balancing Bridge RF I-V Frequency (Hz) Network/Reflection 分布特性和不连续性测试 Page 59

测量方法和产品 测量方法 产品 频率范围 Auto-balancing Bridge (Four-Terminal Pair) Resonant (Q-Meter) 4263A/B LCR Meters 427xA Capacitance Meters 4284A Precision LCR Meter 4285A Precision LCR Meter 4192A LF Impedance Analyzer 4194A/4294A Impedance/Gain-Phase 4342A Q-Meter 42851A Q Adapter (used with 4285A) 100Hz to 100KHz spot 100Hz to 10MHz spot 20Hz to 1MHz spot 75KHz to 30MHz 5Hz to 13MHz 10Hz to 40/110MHz 22KHz to 70 MHz 75KHz to 30 MHz I-V 4194A/4294A Impedance/Gain-Phase 10KHz to 100/110MHz Analyzer with 41941A/42941A Impedance Probe 4193A Vector Impedance Meter 400KHz to 110MHz E4916A Crystal Impedance/LCR Meter Opt. 010 1MHz to 180MHz RF I-V 4286A RF LCR Meter 4287A RF LCR Meter 4291A/B RF Impedance/Material Analyzer E4991A RF Impedance/Material Analyzer 1MHz to 1GHz 1MHz to 3GHz 1MHz to 1.8GHz 1MHz to 3GHz Page 60

测量方法和产品 测量方法 产品 频率范围 Network Analysis 4191A RF Impedance Analyzer 1MHz to 1GHz 4195A Network/Spectrum Analyzer with 10Hz to 500MHz 41951A Impedance Test Set 10KHz to 500MHz 4395A & 4396A/B Network/Spectrum 100KHz to 1.8 GHz Analyzer with 43961A Impedance Test Set 8751A Network Analyzer 5Hz to 500MHz 875x RF Network Analyzers 300KHz to 1.3/3/6GHz 8510x Network Analyzer 45 MHz to 100GHz 8719x and 872x Network Analyzers 130MHz to 13.5GHz/20GHz 871x Network Analyzer 100KHz to 3 GHz E5100A/B Network Analyzer 10KHz to 300MHz TDNA (TDR) 54121T Digitizing Oscilloscope and TDR 300KHz to 1.3GHz/6GHz 8752A/C/8753C/D RF Network Analyzers 300KHz to 1.3GHz/6GHz 8510B Network Analyzer 45 MHz to 100GHz 8719A/C/8720B/C Network Analyzers 130MHz to 13.5GHz/20GHz Page 61

428X 系列 LCR 表 4284A 精密 LCR 表 (20 Hz to 1 MHz; 10m~100MΩ ) 4285A 通用精密 LCR 表 (75 khz to 30 MHz; 10m~100MΩ ) 4287A RF LCR 表 (1 MHz to 3 GHz;200m~3kΩ ) 4288A 电容表 (1 khz/1 MHz; 1m~100MΩ ) Page 62

选择一个测试频率 理想情况 工作条件. 实际上 必须折衷处理. 越高的测试频率, 测试夹具和仪表误差越大. 毫欧 (m ohms) 和兆欧 (M ohms) - DUTs 测量困难. Page 63

测量折衷举例 希望测量 100 pf 理想电容 @ 200 MHz: Z ( Ω ) 10M 1M 10nF 100n F 1uF 1n F 10pF 100p F 1pF 100fF 10fF 1fF 精度比较 4284A @ 1MHz (1600 Ω ) : 0.05% 100K 10K 10uF 100u F 4194A @ 10MHz (160 Ω ) : 1.3 % 1K 1mF 4194A @ 40MHz (40 Ω ) : 5.2 % 100 10 10mF 100mF 41941A @ 40MHz (40 Ω ) : 3.6 % 1 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 4284A 4194A 4195A 41941 F (Hz) 41941A @ 100MHz (16 Ω ) : 6.2 % 4195A @ 200MHz ( 8 Ω ) : 1.9 % Page 64

自动平衡电桥 A: Cp B: D MKR 1 006 570.375 Hz A MAX 13.00 pf B MAX 350.0 m Cp 10.0742 pf D A/DIV 500.0 ff B\DIV 50.00 m START 1 000.000 Hz STOP 40 000 000.000 Hz Page 65

I-V A: Cp B: D A MAX 13.00 pf B MAX 1.000 MKR 1 011 579.454 Hz Cp 10.4523 pf D A/DIV 500.0 ff B MIN 0.000 START 100 000.000 Hz STOP 100 000 000.000 Hz Page 66

网络分析仪 IMPEDANCE A: REF B: REF MKR 1 018 519.448 Hz 13.00p 180.0 Cp 10.7531p F [ F ] [ F ] D DIV DIV START 100 000.000 Hz 500.0f 36.00 STOP 500 000 000.000 Hz RBW: 3 KHZ ST: 6.15 sec RANGE: A = 0, T = 0dBm Page 67

内容安排 阻抗基础 阻抗测量方法 夹具和电缆连接 校准和补偿 100M Auto-Balancing Bridge 总结 Impedance (Ω) 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 1 RF I-V Network/Reflection 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K1M 10M 100M1G 10G Frequency (Hz) Page 68

连接方法和测试夹具 终端配置 电缆长度 夹具类型 电缆 夹具 DUT Page 69

2 端 (2T) 连接 A. 连接方法 B. 电路 Lc Lp Hp Hc Ro Lo L H V Co DUT DUT C. 阻抗测量范围 (Ω) 引线电感引线电阻寄生电容 A Ro Lo 1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Page 70

3 端 (3T) 连接 A. 连接 B. 电路 G L H Ro Lo V Co DUT DUT A C. 阻抗测量范围 (Ω) Ro Lo 减少杂散电容影响 1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Page 71

屏蔽 2 端 (2T) 连接 V DUT A 减少电缆残留电感, 从而提高低阻抗测量性能 Page 72

4 端 (4T) 连接 A. 连接 B. 电路 Lc Lp Hp Hc V Co DUT DUT A C. 测量阻抗范围 (Ω) 减小引线电感影响信号电流通路和电压敏感电缆彼此独立 1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Page 73

5 端 (5T) 连接 A. 连接方法 B. 电路 G L c L p H p H c V DUT DUT A C. 阻抗测量范围 (Ω) 1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Page 74

终端配置 互感误差 For mω DUT L c L p H p H c M_ 2 V MEA M _ 2 I AC V DUT I AC DUT V MEA V DUT Page 75

屏蔽 4 端 (4T) 连接 V DUT A Page 76

4 端对 (4TP) 连接 A. 连接 B. 电路 G L c L p H p H c i i DUT i i V DUT Active Guard C. 阻抗测量范围 (Ω) i center = i shield A 1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Page 77

终端配置 4 端对 (4TP) 简易示图 Page 78

终端配置 4 端对 (4TP) 简易示图 Auto-Balancing Bridge Type Instrument Rr V 2 Det. Null V 1 Rs Lc Lp Hp Hc DUT Page 79

错误连接方法 Hc Hp DUT Lp Lc Page 80

射频终端连接 A. 连接方法 B. 电路 High Low DUT A V DUT C. 阻抗测量范围 (Ω) 1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Page 81

电缆长度 F X L 15 F = 测量频率 (MHz) L = 电缆长度 (m) 物理意义是 : 电缆长度 >> 测试信号波长 4 端对测量必须满足电缆长度 ( 或测试频率 ) 限制如果超过此限制, 则无法得到正确的结果 ( 自动平衡电桥无法达到平衡 ) Page 82

测试夹具 电缆 夹具 DUT Page 83

测试夹具需求 残余参数减到最小 接触电阻减到最小 接触必须可以开路 / 短路 HP16334A LOW DC BIAS - HIGH DC BIAS + 16034E HEWLETT TEST FIXTURE PACKARD. 1 m 0 m Agilent 16191A Agilent 16192A Agilent 16193A Agilent 16194A Page 84

Agilent 夹具 4 端对连接 频率范围上限 110MHz 与自动平衡电桥仪表配合使用 7mm 连接 频率范围上限 3GHz 与射频 RF I-V 仪表及自动平衡电桥仪表配合使用 LO DC W BIAS - 16034E TEST FIXTURE HEWLETT PACKARD HIG DC H BIAS + 7mm 4TP Page 85

新型 SMD 器件 芯片小型化和高性能可以同时存在 060 3 100 5 160 8 2012 1m m Page 86

SMD 测试夹具 (1) 良好的电极连接 稳定性 适当的压力 接触位置重现性 Page 87

SMD 测试夹具 (2) 低等效串联电阻 ESR Kelvin 连接 (4 端连接 ) 去除接触电阻效应 Four-Terminal Connection Two-Terminal Connection Rhc Rhp DUT V DUT V A Rlc Rlp A The effect of contact resistance is cancelled Page 88

SMD 测试夹具 附加误差比较 : 10M Additional Error 0.5% Range 7mm 4TP 1M 100k 10k Impedance Z [Ω] 1uF 1k 10uF 100 100uF 10 4-Terminal 2-Terminal 1mF 1 100m 100 1k 10k 100k 1M 110M Frequency [Hz] Page 89

SMD 测试夹具 附加误差比较 : 1000 Additional Error at Q=100 Q/Q [%] Δ 100 10 4-Terminal 2-Terminal 1 0.1 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G Frequency [khz] Page 90

SMD 测试夹具 (3) Conductive Parts in DUT Vicinity 产生的磁场 测试信号 DUT 金属片 涡流 Page 91

射频测试夹具 Page 92

内容安排 阻抗基础 阻抗测量方法 夹具和电缆连接 校准和补偿 100M Auto-Balancing Bridge 总结 Impedance (Ω) 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 1 RF I-V Network/Reflection 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K1M 10M 100M1G 10G Frequency (Hz) Page 93

测量误差及补偿 测量误差 校准和补偿 射频范围的校准和补偿 Page 94

真值 C = Kε 0 A d 排除寄生参数缺陷的电路元件 真值可以由元件所含物理成分的数学关系确定 Page 95

有效值 考虑元件寄生参数影响 有效值 Page 96

指示值 1 2 3 实际器件 夹具 仪表 指示值 仪器仪表获取和显示的量值 与真值和有效值相比, 指示值总存在误差 Page 97

测量误差源 测试技术的固有的不确定性 复杂残留 残留 噪声 寄生 DUT 测量仪表 电长度补偿 测试夹具 R x+ jxx Page 98

测量误差 仪表固有的测量不准确度 测试夹具和测试电缆的残留阻抗 环境噪声 Page 99

针对测量误差极限的对策 电长度补偿 保护端 仪表校准 负载补偿 测试夹具 补偿 DUT R x+ jxx 电磁场屏蔽 Page 100

什么是校准? 校准平面的定义 : 在校准平面上能得到规定的测量精度 ( 测试结果可以溯源 ) 标准器件 测试仪表 50Ω 50Ω 校准平面 Page 101

补偿的定义 补偿是为了减小 DUT 与仪器校准平面间的误差源的影响 补偿不能完全消除误差 补偿后的精度也达不到校准平面上的精度 阻抗分析仪或 LCR 表 夹具, 电缆 100 Ω +Z Ω Z Ω DUT 100 Ω OFFSET 补偿 OPEN/SHORT 补偿 OPEN/SHORT/LOAD 补偿 校准平面 Page 102

OFFSET 补偿 Cmo Co Cm Co Co=Cmo Cx Cx=Cm-Cmo Page 103

OPEN/SHORT 补偿 测试夹具残留 残留阻抗 (Zs) 杂散导纳 (Yo) Hc Rs Ls Hp Lp Zm Co Go Z DUT Lc DUT Calibration Plane Page 104

OPEN/SHORT 补偿 ( 开路 ) 测试夹具残留 残留阻抗 (Zs) 杂散导纳 (Yo) Hc Rs Ls Hp Yo Co Go OPEN Lp Lc 校准面 Yo = Go + jωco ( Rs + jωls << Go 1 ) + jωco Page 105

OPEN/SHORT 补偿 ( 短路 ) 测试夹具残留的 残留阻抗 (Zs) 杂散导纳 (Yo) Hc Rs Ls Hp Zs Co Go Lp Lc SHORT Calibration Plane Zs = Rs + jωls Page 106

OPEN/SHORT 补偿 Zs Zm Yo Z DUT Z Zm Zs = DUT 1 ( Zm Zs ) Yo 校准平面 Page 107

OPEN/SHORT 补偿的注意事项 SHORT 1mΩ Page 108

OPEN/SHORT/LOAD 补偿 减少复杂残余量 排除相移误差 提高不同仪表之间的相关性 Page 109

OPEN/SHORT/LOAD 补偿举例 去除由于相移造成的误差 阻抗仪 长电缆 DUT 测试夹具 Page 110

OPEN/SHORT/LOAD 补偿举例 存在复杂的残留阻抗 Instrument 杂散电容 残留电感 残留电阻 Scanner Complex Residuals DUTs Page 111

OPEN/SHORT/LOAD 补偿举例 仪表之间没有相关性 因此测试结果存在差异 Instrument #1 100 pf 0.01 101 pf 0.02 Instrument #2 100 pf 0.01 99.7pF 0.005 Instrument #3 100 pf 0.01 102 pf 0.0003 Ideal Case Actual Page 112

OPEN/SHORT/LOAD 补偿 基本理论 Z1 Z2 I 1 I 2 阻抗仪 V 1 A B C D V 2 Zdut DUT Z 1 = AV+ 2 BI CV+ DI 2 2 2 = AZ + 2 B CZ + D 2 Unknown 2-terminal pair circuit V 1 Z = 1, Z = 2 I 1 V I 2 2 Page 113

OPEN/SHORT/LOAD 补偿效果 C-measurement error (%) 3 2 1 ) OPEN/SHORT 补偿 OPEN/SHORT/LOAD 补偿 (( ) 200 400 600 800 1000 Frequency (khz) Page 114

补偿负载器件选择 当测量很宽阻抗范围的 DUT, 选择 100Ω 1kΩ 阻抗作负载 当测量仅有一个阻抗值的 DUT, 选择与 DUT 阻抗值约接近的器件为补偿负载 采用纯且稳定的电容或电阻伪补偿负载 负载值必须明确已知 Page 115

OPEN/SHORT/LOAD 补偿限制 开路值必须远远大于被测器件 DUT 阻抗 (>100 倍 ) 短路值必须远远小于被测器件 DUT 阻抗值 (<1/100) Page 116

误差 接触电阻 2 端 (2T) 连接 Low High D error = ω + C X ( R L RH ) R L R H Cx Page 117

误差 接触电阻 4 端 (4T) 连接 Hc R hc R lc C lc L c Hp C hp R hp Cx R lp Lp D erro r = ω ( C hp R h + C lc R lc ) p Page 118

2 端连接 vs.. 4 端连接的误差 D error 2-Terminal Connection 4-Terminal Connection C hp Capacitance Value C x Page 119

测试电缆延伸造成的误差 阻抗测量设备 长电缆 DUT 扩展电缆的影响 : 阻抗测量误差 电桥不平衡 测试夹具 Page 120

电缆长度补偿 ( 高频 ) I DUT l Hc Hp Lp Lc V Edut Rr IRr Er Page 121

电缆长度补偿 ( 低频 ) 电缆连接在高端和低端 信号源电阻 DUT L H 电缆电缆 Page 122

电缆长度补偿 ( 低频 ) 电缆延伸效应 信号源电阻 电缆 L H 电缆 Z hc DUT Z lp Z hc : 由连接高端电缆的杂散电容产生的阻抗 这个阻抗降低测试信号和测试准确性 Z lp : 由连接低端电缆的杂散电容产生的阻抗 这个阻抗影响幅度测量并降低测量准确性 Page 123

射频波段的补偿 A. 矢量阻抗平面 -jx B. 史密斯园图 用来补偿的标准器件值 Short 0Ω Load 50Ω R Short 0Ω Open 0S, Γ = 1 0 Error Vector -jx Load 50Ω, Γ = 0 注意 : 开路阻抗无限大, 因此无法在阻抗幅平面显示 Page 124

自动平衡电桥方法很难测高 Q 和低 D Q=100 (ESR is 1/100 of X) 0.5 δchange means 87% of R X Q = X/R = 1/tanδ X δ R R Page 125

高 Q, 低 D 测量 电感 Q 值测量 电容 D 值测量 X L = ωl R Q = X R L D = R X C R 1 X C = ωc Page 126

校准参考平面 测试仪表 校准 DUT 测试夹具 校准参考平面 Page 127

测试夹具误差模型 A. 典型的测试夹具模型 B. 简单的等效误差电路模型 非同轴 DUT Co,Go Co,Go DUT Co Go Yo=jωCo + Go Zs=jωLo + Ro 同轴 Lo,Ro Lo Ro 残留阻抗误差模型 电长度 测试端 Page 128

电长度补偿 自动平衡电桥技术 电缆长度补偿 采用负载补偿 射频 I-V 和反射系数技术 端口延伸补偿 采用复杂补偿 Hc Hp Lp Lc 校准平面 端口延伸 校准平面 Page 129

射频测试夹具补偿 电长度开路短路 + Page 130

电长度补偿的结果 CH1 Z T&B 2k, 200m CH2 Theta 36 / REF0 HL db OSC 500mV START 1 MHz BIAS OFF STOP 1.8 MHZ 仅有延迟 延迟 +OPEN/SHORT 补偿 Page 131

为了更高的精度和可靠性 校准 / 补偿 采用平均增加测量重复性 为增大动态范围, 信号电平应该尽可能大 OPEN 器件尺寸应该和 DUT 相同大小 ( 物理尺寸 ) SHORT 器件尺寸应该和 DUT 相同大小 ( 物理尺寸 ) 测量 ( 校准 / 补偿后 ) 保持测试温度稳定 DUT 保持放置在相同位置 校准后, 不要改变设置和电缆位置 Page 132

附录 Page 133

关键测试功能 (a) OSC 电平 Source resistor Rs Rs OSC level Vs Vs OSC level Vs Zx Zx Vx = Vs Rs + Zx (a) UNKNOWN terminal is open Vx (b) DUT is connected to the UNKNOWN terminal Vs 0 (c) Zx value vs. Vx Zx Page 134

关键测试功能 (b) 直流偏置 Rs Zx Virtual ground (Potential = 0 V) Rr Rs Rp Leakage current Rr DC bias source Blocking capacitor DUT (a) Simplified diagram of DC bias measurement (b) When the DUT's Rp is low, leakage current decreases the DC voltage applied to the DUT. Page 135

关键测试功能 (c) 量程功能 Multiplier Zx Range resistors A/D (a) Ranging is done by changing the range resistor and multiplier of the vector ratio detector. Range 2 Range 1 (b) "Hysteresis" in the range boundary Page 136

关键测试功能 (d) 电平监测功能 Digital ALC Amplitude control DUT Ix Rr Err OSC Vx Edut A/D Vx = Edut Err Ix = Rr CPU Analog ALC Page 137

关键测试功能 (e) 测量时间和平均 Sampling data acquisition time Ts Vector component extraction & calculation Err Edut Sampling A/D digital DSP Err (0 ) Err (90 ) Edut (0 ) Edut (90 ) CPU A/D Conv. Clock Random noise 1 10 100 Ts (Log t) Page 138

关键测试功能 (f) 保护功能 Stray capacitance and leakage current Auto-Balancing Bridge Type Instrument A Lc Lp Hp Hc V Stray Capacitance DUT Voltage Difference Stray Capacitance Ground Conductor Leakage Current Page 139

关键测试功能 (f) 保护功能 Guard Mechanism and Solution Auto-Balancing Bridge Type Instrument Guard A Lc Lp Hp Hc Shield Conductor DUT V Ground Conductor Page 140

关键测试功能 (f) 保护功能 Key points to consider: Minimize impedance of guard line. Do NOT connect the guard terminal directly to the ground conductor. 0 V DUT 0 V DUT 0 V Shield Conductor Ground Conductor Page 141

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