雙線測量的簡單偏移消除技術

Michael S.Obrecht

使用測試頻率為10 kHz或更低的傳統(tǒng)LCR表來測量小型電感器和電容器是一項挑戰(zhàn)。 頻率為10 kHz時，使用10 nH的電感器，阻抗僅為 6 mOhms，與探頭的電阻相當。頻率為 100 kHz 時，阻抗增加 到 60 mOhms。另一方面，頻率為 10 kHz 時，1 pF 的電容器 會導致 15 毫歐的阻抗，這使得探頭之間的電容連接變得明顯，并影響阻抗的測量。本文介紹了兩個案例研究：使用 HP4284A LCR 表和 HP16034E 測試夾具提取雙線探頭的寄生電感，以及使用 LCR-Reader-R2提取寄生電容。通過這種方法，可以使用低于 300 kHz 的測試頻率精 確測量次nH電感器和次pF電容器。

工作動力 

我們開發(fā)和制造高精度低頻LCR鑷子測試表，如LCR-Reader-R2 [1]和類似產(chǎn)品。它們通常使用10至100 kHz或更低的測試頻率，這使得測量小型電感器和電容器非常困難。我們還需要在nH范圍內(nèi)校準元件，用于校準我們的設備。因此，我們嘗試使用HP5284A臺式萬用表來測量小型電感器和電容器，但在測量低于10 nH的電感和低于1pF的電容時，我們遇到了嚴重的問題，因此我們想到了下面描述的校準程序。由于無法獲得電感值較小的大尺寸元件（大于1008），我們采用了另一種方法，即用所需尺寸的銅線制作電感器。對于這些電感器，我們使用理論電感估計值作為標稱電感值。

阻抗測量方法

測量阻抗的方法有多種，各有利弊。這些方法在文章中有描述，如[2]可基本上分為三組：電流和電壓法，差分/電橋法以及共振法。

電流和電壓法，和響應法是廣泛使用的方法。包括將已知的高頻交流電流通過元件，并測量其兩端產(chǎn)生的電壓。然后就可以根據(jù)電壓和電流的比值計算出阻抗的大小。此外，還可以測量電壓和電流的相位角，結(jié)合阻抗，從而確定等效電容或電感，電阻。

電流和電壓法的主要優(yōu)點是這是一種直接的方法，不需要任何參考組件。它的實現(xiàn)也相對簡單，并且可以可用于測量寬范圍的阻抗值。然而，這種方法對測量電路中雜散的電容和電阻的寄生效應很敏感，可能導致測量誤差。此外，由于趨膚效應和鄰近效應的影響，很難在高頻率下實現(xiàn)精準的測量。

另一方面，差分/電橋方法可以通過補償寄生效應提供更高精度，并且可以用于測量低阻抗值。然而，他們需要使用參考組件，這些組件可以添加到測量設置的復雜性。

共振法通常用于測量電感值，因為它們基于連接到已知電容的電感器的頻率共振的測量。與電流和電壓方法相比，這種方法對寄生效應的敏感性較低，但在高頻下很難實現(xiàn)準確的測量。

總之，每種阻抗測量方法都有其優(yōu)缺點，方法的選擇取決于測量應用的具體要求。

我們將討論最常用的電流電壓法和響應法，這是一種廣泛使用的阻抗測量技術。它包括將已知的高頻交流電流通過元件，并記錄元件兩端產(chǎn)生的電壓。然后就可以根據(jù)這些值的比率來計算阻抗。此外，還可以測量電壓和電流之間的相位角，結(jié)合阻抗確定等效電容或電感以及電阻。

測量過程

該方法的總體思想是提取特定幾何形狀的夾具寄生阻抗，即測試探針之間的距離。這個阻抗顯然是距離的函數(shù)，并且必須針對每個組件大小提取。當我們測量一組小組件時，無論是電容還是電感，由于可以提取并用于獲得實際組件值的寄生偏移，測量值都會偏離標稱值。

為了校準我們的夾具，我們需要已知的具有小公差的小值部件，這些部件可用于0603尺寸以下的較小尺寸部件。對于較大尺寸的電感器，我們主要依賴手工制作的單線電感器。這些電感器的值可以在理論上估算出合理的精確度。

圖1。（a） LCR-Reader-R2。（b） 電容偏移校準板

電容測量的開放式校準

我們使用Siborg Systems有限公司設計和制造的LCR-meter說明了這一技術。所有測量都使用最新型號的LCR-Reader-R2進行。該設備由一套帶鍍金測試導線的鑷子，高精度LCR表和一個顯示器，是一款輕便的手持設備。該設備如圖1所示，每個鑷子手柄內(nèi)都有屏蔽的雙線連接器，與測試導線連接。