簡(jiǎn)單的偏移消除技術(shù)，用于小電容測(cè)量使用鑷表

介紹

測(cè)量電容有三種主要方法可供選擇:交流響應(yīng)法、直流充放電法和電橋法。交流響應(yīng)法和電橋法適用于 LCR 測(cè)量，而直流充放電法只適用于 RC 測(cè)量。

LCR-Reader-MPA 采用交流響應(yīng)法和直流充放電法進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于電容范圍在 1 mF 到 1 F 使用直流充放電方法更有效，而在 0.1 pF 到 1 mF 另一種方法可顯示 0.1%的基本精度。

充放電方法使用已知的電流對(duì)電容器充放電，同時(shí)測(cè)量產(chǎn)生的電壓的上升速率。電容值以上升速率為基礎(chǔ)，上升速率越慢，電容越大。

交流響應(yīng)方法通過設(shè)備傳遞已知的高頻電流。從比率中記錄產(chǎn)生的電壓并計(jì)算阻抗的大小量。電壓和電流之間的相位角，等效電容或電感可同時(shí)測(cè)量，并計(jì)算出電阻。

更復(fù)雜的測(cè)試設(shè)備使用其他方法，如電橋電路。該方法測(cè)量精度高，間接測(cè)量阻抗。電橋法還可以測(cè)量寄生電阻、電容和電感。這種方法是通過將元件放入電橋電路來實(shí)現(xiàn)的。另一條腿的值是變化的，通過這個(gè)來確定未知的阻抗值。

測(cè)量微小電容的方法綜述發(fā)表在《測(cè)量微小電容變化的高精度方法》，Ashkan Ashrafi 和 Hossein Golnabi，《科學(xué)儀器評(píng)論》，第 70 卷第 8 期，1999 年 8 月。

圖1

操作原理

LCR-Reader-MPA

圖1 為 LCR 儀表方框圖。電壓源的電壓通過一個(gè)限制100? 電阻應(yīng)用到 DUT 連接點(diǎn) a 和 b . V 測(cè)試信號(hào)的振幅和頻率可調(diào)。也可以對(duì)被測(cè)工件施加正的或負(fù)的直流電壓。

被測(cè)元件上的電壓降由DAu 測(cè)量，電阻 Rj 上的電壓降由 DAj 測(cè)量，與流經(jīng)被測(cè)元件的電流成正比。對(duì) ADC信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后，根據(jù)公式 DUT 阻抗 Z =Rj* Vau/Vaj計(jì)算其阻抗。

用開短路探針校準(zhǔn)時(shí)獲得的阻抗(偏移量)的初始值存儲(chǔ)在設(shè)備的存儲(chǔ)器中，并在計(jì)算被測(cè)部件的阻抗時(shí)考慮，從而消除了由于設(shè)備內(nèi)部寄生效應(yīng)引起的偏移量。

被測(cè)元件可表示為以下等效電路之一:

(1) and (2): 交流測(cè)量串聯(lián)電路 (3) and (4): 交流并聯(lián)電路,(5,6,7) 二極管、電阻、電容的直流測(cè)量。

串聯(lián)電路阻抗Z = Rs + iXs 并聯(lián)電路阻抗 Z = 1/(1/Rp +1/iXp) 其中 Xs (Xp) < 0 如果電抗是電容性的，在 Xs(Xp) > 0 電抗是有感的。

參數(shù)的計(jì)算

電容C = 1/(2πf|Xs|) 其中 f 為測(cè)試頻率。

電感L = Xs/(2πf). Q = |Xs|/Rs. D = 1/Q

當(dāng)LCR-Reader-MPA 設(shè)置為自動(dòng)模式時(shí)，它將選擇最佳頻率和等效電路進(jìn)行測(cè)量。也可手動(dòng)設(shè)定設(shè)備的具體測(cè)試參數(shù);包括測(cè)量模式，測(cè)試信號(hào)的頻率范圍為 100 Hz 到 100kHz，并選擇 1.0、0.5 和 0.1 Vrms 的測(cè)試電壓。

MPA 使用通過被測(cè)元件的直流電流，允許測(cè)量電流和電壓。使用 ? 定律,計(jì)算直流電阻(RDC)。

電容是根據(jù)被測(cè)電容器在一定時(shí)間間隔充電時(shí)的電壓變化和測(cè)量大于40mf 的元件時(shí)施加的電流來計(jì)算的。

為了確定p-n 結(jié)的極性，可以通過施加直流電壓 n 向前和翻轉(zhuǎn)方向，檢測(cè)二極管來確定。

該裝置通過比較輸入信號(hào)和參考電壓來測(cè)量電壓。

頻率計(jì)在一定時(shí)間內(nèi)(即輸入信號(hào)的兩個(gè)斜坡之間)計(jì)算參考發(fā)生器的脈沖。:默認(rèn)為 1 秒)。同時(shí)計(jì)算輸入信號(hào)的周期數(shù)。然后由公式 f = M/N*f 計(jì)算頻率 f。N 為參考發(fā)生器的脈沖數(shù)，f 為參考發(fā)生器的頻率，M 為輸入信號(hào)的周期數(shù)。

抵消消除技術(shù)

測(cè)試引線的寄生偏移量取決于它們之間的距離。電容偏置校準(zhǔn)板是一種可靠的方法，可以準(zhǔn)確地確定距離，從而確定寄生電阻。虛擬PCB 使用孔來表示不同尺寸的元件(圖2)。該板可以用來確定 任何使用交流 響應(yīng) 方法的鑷表(Smart Tweezers, LCR-Reader 和其它鑷表)的寄生電容。

圖2

使用板，簡(jiǎn)單地把測(cè)試引線放入相同尺寸的孔作為被測(cè)試組件的尺寸。

用MPA 進(jìn)行“開放校準(zhǔn)”，按住操縱桿向右，發(fā)出嗶嗶聲 2 聲，然后松開。該裝置將自動(dòng)消除測(cè)量值中的寄生電容。下表顯示了導(dǎo)線之間鑷子的距離與寄生電容值的關(guān)系。所示的測(cè)量是在 100 千赫時(shí)進(jìn)行的。開放式校準(zhǔn)使用2920 大小的組件(尖端之間 7.4 毫米)，因此該組件的偏移量接近于零。注意，結(jié)果將略有不同，取決于因素，如周圍的環(huán)境鑷子和尖端之間的距離;即使使用固定的尺寸，施加在尖端的壓力可能會(huì)改變距離。

用組件的具體尺寸對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_式校準(zhǔn)后，組件值的絕對(duì)精度約為3 fF。

附錄A

LCR-READER-MPA 基本功能和特點(diǎn)

特性總結(jié)

        ? L-C-R-ESR 和 LED/二極管測(cè)量
        ? 交流/直流電壓/電流測(cè)量
        ? 頻率、脈沖周期、占空比表
        ? 示波器、信號(hào)發(fā)生器
        ? NIST 可追溯校準(zhǔn)證書
        ? 開/短路校準(zhǔn)
        ? 元器件分類
        ? 超級(jí)電容器測(cè)試
        ? 可選藍(lán)牙模塊

技術(shù)參數(shù)

        基本精度: 0.1%
        測(cè)試頻率: 100 Hz - 100 kHz
        測(cè)試信號(hào)電平: 0.1, 0.5, 1.0 Vrms

測(cè)量范圍

        電阻 R: 5 mW to 20 MW
        電容 C: 0.1 pF to 1 F
        電感 L: 1 nH to 100 H

物流參數(shù)

        尺寸: 18 x 3 x 1.6 cm
        重量: 1.35 oz.
        電池: 3.7V LiPo

附錄B

LCR-READER-MPA R-L-C-D 模式屏幕截圖
 

R-L-C-D 模式是默認(rèn)的器件模式，用于測(cè)量電阻、電容、電感和二極管。要選擇模式，請(qǐng)?jiān)谥鞑藛沃羞x擇 R-L-CD。為了訪問模式參數(shù)(隱藏的子菜單)，將操縱桿向右按一聲。

R-L-C-D 模式的典型屏幕如下: