Керамические конденсаторы являются основными факторами производительности схемы, которые влияют на стабильность контура управления регулятором напряжения и импедансом сети электропитания (PDN). При проектировании с этим типом схемы вы должны работать в широком диапазоне частот Обеспечьте хорошие данные импеданса. Правильная измерительная технология - это ключ к достижению точного измерения. В этой статье обсуждается, как эффективно использовать два простых метода для достижения точного и широкополосного измерения частоты, расширяя диапазон векторного анализатора сети (VNA).
Керамические конденсаторы трудно измерить из-за их динамического диапазона с высоким импедансом, в то время как большие танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы имеют более низкий динамический диапазон и их легче измерить.
Для измерения керамического конденсатора емкостью 100 нФ емкостное реактивное сопротивление (емкостное сопротивление) составляет около 1,6 МОм на частоте 1 Гц. Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПР) обычно составляет около 10 мОм при последовательном резонансе. Точно в широком диапазоне частот При измерении этой емкости динамический диапазон (отношение емкостного импеданса на самой низкой частоте к ESR при низком импедансе) должен составлять не менее 164 дБ.
Некоторые инженеры могут подумать, что измерительная емкость до 1 Гц слишком мала, потому что даже сетевой анализатор Keysight Technologies E5061B может измерять только емкостные импедансы до 5 Гц. Методы, обсуждаемые в этой статье, могут использоваться для измерения Масштабирование до 1 Гц и динамический диапазон до 164 дБ. Начиная с 10 Гц уменьшает динамический диапазон до 144 дБ, однако добавление 10 дБ шума для каждого предела импеданса сразу вернет вас в требуемый диапазон 164 дБ.
Выберите правильный инструмент
Несколько инструментов, за исключением специализированных анализаторов импеданса, поддерживают такой большой динамический диапазон. Если измерение этих компонентов является вашей основной задачей, и у вас нет бюджетных ограничений, использование специализированного высокопроизводительного анализатора импеданса может быть Хороший выбор, иначе это может быть не так, поэтому векторный сетевой анализатор является следующим лучшим выбором. Векторный анализатор сети может измерять импеданс и емкость дисплея, индуктивность, реальную, мнимую и магнитную.
Vector Network Analyzer по своей сути способен измерять импеданс с использованием трех разных методов, основанных на параметрах рассеяния (S-параметры). В таблице 1 перечислены три метода и преобразование из S-параметров в импедансы К счастью, эти преобразования импеданса обычно встроены в векторные анализаторы сети и не требуют каких-либо вычислений.
Три метода измерения являются точными в указанном диапазоне импеданса, и рекомендуемые диапазоны для каждого метода измерения показаны в таблице 2.
Это рекомендуемые диапазоны, и большинство векторных анализаторов сети могут улучшиться, если до измерения необходимо провести тщательную калибровку прибора.
Одним из наиболее распространенных значений развязки является 0,1 мкФ, поэтому я выбрал керамический конденсатор с низкой ЭЭР емкостью 0,1 мкФ для этой статьи. В этой статье используется OMICRON Lab Bode 100 в качестве примера для емкостных образцов трех вышеупомянутых технологий Результаты измерений показаны на рисунке 2. Результаты измерений экспортируются непосредственно в формат Touchstone из Bode 100 Vector Network Analyzer, а затем одновременно отображаются на дисплее данных ADS Keysight. Как вы можете видеть, методы измерения, показанные здесь, могут быть расширены Динамический диапазон Bode 100.
Все три метода одинаково хорошо работают в диапазоне частот от 100 Гц до 300 кГц, а их результаты измерений намного лучше рекомендованного диапазона. Отклонения также происходят на частотах менее 100 Гц и более 1 МГц. (Shunt Thru) очень точный на низких уровнях импеданса, поэтому он измеряет импеданс 10 мОм при резонансе. Серия Thru очень точна при измерении импеданса и поэтому может работать на частоте 1 Гц В этом примере обеспечивается правильный импеданс, который составляет 1,6 МОм. Измерение однопортового отражения менее точно в диапазонах с низким и высоким импедансом.
Две доступные методы измерения
Вы можете использовать два метода для расширения динамического диапазона, чтобы точно измерить емкость от 1 Гц до 50 МГц. Один из способов - использовать адаптер импеданса, который обычно используется в качестве компонента векторного сетевого анализатора. Импедансный адаптер использует резистивный мост Расширенный динамический диапазон Адаптер импеданса, подключенный к анализатору векторной сети на рисунке 2, поддерживает рекомендуемый диапазон 20 мОм на частоте 1 Гц, а рекомендованное минимальное измерение импеданса составляет около 6 Ом на резонансной частоте 20 МГц. Максимальное значение рекомендуется на низких частотах Импеданс составляет 600 кОм.
Второй способ заключается в вставке резистора между каждым портом анализатора векторной сети. На рисунке 3 показаны компоненты, измеренные в конфигурации «TEE». Выберите последовательное сопротивление для изменения диапазона импеданса этого метода.
Соединение последовательного резистора и шунтирующего конденсатора показано на рисунке 4.
Измерения емкостей производятся с использованием как импедансных адаптеров, так и двухпортовых шунтирующих и последовательных конденсаторов. Измерения экспортируются непосредственно в формат Touchstone из Bode 100 Vector Network Analyzer, а затем отображаются на дисплее данных ADS Keysight, как показано на рисунке 5 показывает.
Оба эти метода способны вмещать весь 164dB динамический диапазон от 1,6 МОм на частоте от 1 Гц до 10 мОм в резонансной точке. Двухпортовый последовательный резистор позволяет проводить более точную оценку при резонансе 10 мОм, отчасти благодаря прямой пайке конденсаторов до печати Печатная плата, устраняя эффекты изменения контактного сопротивления между импедансным адаптером и измерительным адаптером. В любом случае, характеристики адаптера импеданса значительно превышают заданные характеристики 6 Ом на частоте 20 МГц, и оба метода обеспечивают очень хорошее Высокий динамический диапазон.
Сравнение двух методов
Оба эти метода имеют свои преимущества и недостатки: адаптеры импеданса просты в использовании и не требуют пайки на печатной плате. Кроме того, они имеют высокий минимальный импеданс, требуют короткой разомкнутой цепи и калибровки нагрузки и не могут быть отрегулированы Выбирая резистор серии, вы можете оптимизировать для определенного диапазона двухпортового параллельного метода с последовательным сопротивлением. Этот метод обычно требует, чтобы компонент был установлен на плате для измерения.
резюме
В этой статье описываются три метода измерения импеданса собственного векторного сетевого анализатора: метод однопортового излучения, двухпортовая серия и прямоточный метод и двухпортовый параллельный сквозной метод, а три метода соответственно поддерживают динамический диапазон и диапазон импеданса. Простой векторный сетевой анализатор может использоваться для точного измерения динамического диапазона 164 дБ керамического конденсатора емкостью 100 нФ.