Os capacitores cerâmicos são os principais contribuintes para o desempenho do circuito que afetam a estabilidade do circuito de controle do regulador de tensão e a impedância da rede de alimentação (PDN). Ao projetar com este tipo de circuito, você precisa operar em uma ampla faixa de freqüência Fornecer bons dados de impedância. A tecnologia de medição correta é a chave para alcançar uma medição precisa. Este artigo discute como usar efetivamente duas técnicas simples para obter uma medição de freqüência precisa e de banda larga, expandindo a gama de Vector Network Analyzer (VNA).
Os capacitores de cerâmica são difíceis de medir por causa de sua faixa dinâmica de alta impedância, enquanto os capacitores eletrolíticos de tântalo e alumínio maiores possuem menor alcance dinâmico e são mais fáceis de medir.
Para medir um capacitor de cerâmica de 100nF, a reatância capacitiva (reatância capacitiva) é de cerca de 1,6MΩ a 1Hz. A resistência de série equivalente (ESR) é tipicamente cerca de 10 mΩ em ressonância em série. Precisamente em uma ampla faixa de freqüência Ao medir esta capacitância, a faixa dinâmica (a proporção da impedância capacitiva na freqüência mais baixa para ESR em baixa impedância) deve ser de pelo menos 164dB.
Alguns engenheiros podem pensar que a capacitância de medição é tão pequena quanto 1Hz, pois mesmo o analisador de rede Keysight Technologies E5061B só pode medir as impedâncias capacitivas até 5Hz. As técnicas discutidas neste artigo podem ser usadas para medir Escala de até 1Hz e alcance dinâmico até 164dB. A partir de 10Hz reduz o alcance dinâmico para 144dB, no entanto, adicionar 10dB de tolerância de ruído a cada limite de impedância o levará de volta à faixa de 164dB necessária imediatamente.
Escolha o instrumento correto
Poucos instrumentos, com exceção de analisadores de impedância especializados, oferecem suporte a um grande alcance dinâmico. Se a medição desses componentes for seu principal trabalho e você não tiver restrições orçamentárias, o uso de um analisador dedicado de impedância de alto desempenho pode ser um Uma boa escolha, caso contrário, isso pode não ser o caso, então um analisador de rede de vetores é a próxima melhor opção. O analisador de rede de vetores pode medir impedância e capacitância de exibição, indutância, real, imaginário e magnitude.
O Vector Network Analyzer é inerentemente capaz de medir a impedância usando três técnicas diferentes, todas com base em parâmetros de dispersão (parâmetros S). A Tabela 1 lista os três métodos e a transformação dos parâmetros S para as impedâncias Felizmente, essas transformações de impedância são normalmente incorporadas em analisadores de redes vetoriais e não requerem cálculos.
As três técnicas de medição são precisas em relação ao intervalo de impedância especificado, e os intervalos recomendados para cada técnica de medição são mostrados na Tabela 2.
Estes são os intervalos recomendados e a maioria dos analisadores de rede vetoriais podem fazer melhor, desde que a calibração cuidadosa do instrumento seja realizada antes da medição.
Um dos valores de dissociação mais comuns é 0.1μF, razão pela qual escolhi um condensador cerâmico de baixa qualidade de 0,1μF para os propósitos deste artigo. Este artigo usa o OMICRON Lab Bode 100 como exemplo para as amostras capacitivas das três tecnologias acima Os resultados das medições são mostrados na Figura 2. Os resultados das medições são exportados diretamente para o formato Touchstone do Bode 100 Vector Network Analyzer e, em seguida, exibidos simultaneamente no Display de Dados ADS da Keysight. Como você pode ver, as técnicas de medição aqui mostradas podem ser estendidas Bode 100 de alcance dinâmico.
Todos os três métodos funcionam igualmente bem no intervalo de freqüência de aproximadamente 100 Hz a 300 kHz, e seu desempenho de medição é muito melhor do que o intervalo recomendado. Os desvios também ocorrem em freqüências inferiores a 100 Hz e superiores a 1 MHz. (Shunt Thru) é muito preciso em baixos níveis de impedância, por isso mede 10mΩ de impedância em ressonância. O Series Thru é muito preciso na medição de impedância e, portanto, pode ser operado a 1Hz A impedância correta é fornecida, que é de 1,6 MΩ neste exemplo. A medição de reflexão de porta única é menos precisa em intervalos de baixa e alta impedância.
Duas técnicas de medição disponíveis
Você pode usar duas técnicas para ampliar o alcance dinâmico para medir com precisão a capacitância de 1Hz a 50MHz. Uma maneira é usar um adaptador de impedância comumente usado como um componente de um analisador de rede de vetores. O adaptador de impedância usa uma ponte de resistência Faixa dinâmica estendida O adaptador de impedância conectado ao Vector Network Analyzer na Figura 2 suporta a faixa recomendada de 20mΩ a 1Hz e a medição de impedância mínima recomendada é de cerca de 6Ω na freqüência de ressonância de 20MHz. O máximo recomendado em baixas freqüências A impedância é de 600kΩ.
O segundo método é inserir um resistor entre cada porta do analisador de rede de vetores. A Figura 3 mostra os componentes medidos na configuração 'TEE' Selecione a resistência da série para modificar a faixa de impedância desse método.
A conexão do resistor série e capacitor shunt é mostrada na Figura 4.
As medições de capacitância são feitas usando ambos os adaptadores de impedância e capacitores de shunt e série de duas portas. As medidas são exportadas diretamente para o formato Touchstone do Bode 100 Vector Network Analyzer e, em seguida, exibidas no Display de Dados ADS da Keysight como mostrado na Figura 5 Mostrar.
Ambos os métodos são capazes de acomodar toda a faixa dinâmica de 164dB de 1.6MΩ a 1Hz a 10mΩ no ponto de ressonância. A resistência de duas portas com série permite uma avaliação mais precisa com ressonância de 10m, devido em parte à soldagem direta de capacitores para a impressão Placa de circuito, eliminando os efeitos das mudanças na resistência de contato entre o adaptador de impedância entre calibração e medição. De qualquer forma, o desempenho do adaptador de impedância está muito além do desempenho especificado de 6Ω a 20MHz, e ambos os métodos fornecem muito bom Alta faixa dinâmica.
Comparação de dois métodos
Ambos os métodos têm suas vantagens e desvantagens. Os adaptadores de impedância são fáceis de usar e não precisam ser soldados a uma placa de circuito impresso. Além disso, eles têm uma impedância mínima alta, requerem um curto circuito aberto e uma calibração de carga e não podem ser ajustados Ao escolher uma resistência em série, você pode otimizar para uma gama específica de método paralelo de duas portas com resistência em série. Esse método normalmente requer que o componente seja montado na placa de circuito para medição.
Resumo
Este artigo descreve três tipos de métodos nativos de medição de impedância do analisador de rede de vetores: método de emissão de porta única, série de duas portas e método direto e método direto paralelo de duas portas e três métodos foram suportados em alcance dinâmico e faixa de impedância. Existem dois Um método simples de analisador de rede vetorial pode ser usado para medir com precisão a faixa dinâmica de 164dB de um capacitor cerâmico de 100nF.