Medicion de impedancias

MEDICION DE

IMPEDANCIAS

Agenda

Medición básica de Impedancia Discrepancias en la Medición Técnicas de Medición Compensación de Errores

Definición de impedancia• Impedancia es la oposición que ofrece un dispositivo o

circuito al flujo de corriente alterna.

• Señal de prueba de CA (amplitud y frecuencia).

• Incluye elementos reales e imaginarios.

Z = R + j X Y = G + j B

B

GR X

Plano de medición de impedancia

Z = R + jX = |Z|

= arctg XR

|Z|

Resistiva

Eje Real

Eje

Imag

inar

ioC

apac

itiva

Indu

ctiv

a+j

-j

|Z| = R + X 2 2

D U T

( )

Plano de medición de admitancia

Y = G + jB = |Y|

= arctg BG

|Y|

Conductancia

Eje Real

Eje

Imag

inar

ioIn

duct

iva

Cap

aciti

va

+j

-j

|Y| = G + B 2 2

D U T

( )

Y=1/Z

Agenda Medición básica de Impedancia Discrepancias en la Medición Técnicas de Medición Compensación de Errores

¿Cuál es el valor correcto?

Analizador de ZQ : 165

Q : 165Q : 120

Medidor de LCR

L : 5,231 mH ?

?Q : 120

Medidor de LCR

Medidor de LCR

D U T

D U T

L : 5,310 mH

5,310 H5,231 H

Causas de discrepancia en la medición

• Factores que dependen del componente.

• Valores Verdadero, Real e Indicado.

• Errores en la medición.

• Circuito equivalente (ecuaciones de transformación).

Causas de discrepancia en la medición

Factores que dependen del componente

• Frecuencia de la señal de prueba.

• Nivel de la señal de prueba.

• Tensión y corriente de polarización de CC.

• Condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.).

Los elementos parásitos dificultan la medición

EL modelo del capacitor real incluye elementos parásitos

• Diferencia del Q asociado con resonadores y filtros.

• Q

• El componente ideal será:R 0 y Q

• D , muchas veces utilizado en capacitores.

Factores de Calidad y Disipación

S

S

RX

perdida Energíaalmacenada Energía

Q1

Reactancia capacitiva vs. frecuencia

Circuito Equivalente del Capacitor|X|

Frecuencia

XL = L

XC = 1C

f0

Gráfico de impedancia vs. frecuencia cuando autoresuena el capacitorA: |Z|A MAX 50.00B MAX 100.0 deg

B: MKR 6 320 000.000 HzMAG 47.2113 PHASE 659.015 mdeg

A MIN 20.00 START 1 000 000.000 HzSTOP 15 000 000.000 Hz

0

B MIN -100.0 deg

m

m

Variaciones de la capacidad conel nivel de la señal de prueba

Capacitores SMD, con distintas constantes dieléctricas K

Vca

C

Bajo K

Medio K

Alto K

C vs Tensión de polarización de CC

Capacitores SMD Type I y II

Vcc

Tipo I

Tipo II

C/ %

0 50 100

02

-2-4-6-8

-10-20

NPO(bajo K))

X7R (alto K))

C vs Nivel de Señal de Prueba

Variación de la capacidad con la temperatura

Capacitores SMD Tipo I and II

T [ºC]

Tipo I

Tipo II

C [%]

-60 60 140

1015

5

0

-5-10

-15-20

NPO (bajo K)

X7R (alto K)-20 20 100

Variación de la inductancia en función del nivel de corriente continua de

polarización en inductores de potencia

Icc

L [%]

0 50 100

02

-2

-4

-6-8

-10-20

Factores que dependen del componente

• Frecuencia de la señal de prueba.

• Amplitud de la señal de prueba.

• Tensión y corriente de polarización de CC.

• Condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.).

• Estado actual (energía almacenada).

• Envejecimiento.

¿Qué valor medimos?

+/-

Instrumento Accesorios de Prueba

Dispositivo Real

%

• VERDADERO

• REAL

•INDICADO

Esquema de medición

DUTRx + jXx

Accesorio para la

Medición Instrumento

Extensiónde la

Entrada

Fuentes de error en la medición

• Errores en las técnicas de medición.

• Extensión de las entradas con efectos residuales complejos.

• Accesorios con efectos residuales.

• Interferencia de RF y ruido.

• DUT con pérdidas parásitas.

Fuentes de error en la medición

DUTR + jXx x

Accesoriopara la

MediciónInstrumento

Extensiónde la

Entrada

Técnica Incorrecta Efectos

ResidualesRuido

Parásitos

Pérdidasresiduales

Acciones para limitar los errores en lamedición

DUT

Accesoriopara la

MediciónInstrumento

Extensiónde la

Entrada

CalibraciónCompensación

Guarda

Compensación con Adaptación Blindaje

Rx + jXx

¿Qué instrumento ...?

Método I-V Método del Coeficiente de Reflexión

Medida

CálculoDirecto

I, V

Z =

Ls , Lp, Cs, Cp, Rs or ESR, Rp, D, QModelo basado enaproximaciones

x,y

Z = Zo 1 +1 -I

V

¿Medida?¿Cálculo?

¿Aproximación?

CS

D U T ?

RS

RP

CP

Circuitos equivalentesSe requieren circuitos equivalentes simplificados

Circuito equivalente del capacitor sin L

Circuito equivalente completo del capacitor

¿ Rs,Ls,Rp,Cp ?

Demasiado COMPLEJO

Circuito equivalente

C Grande C Pequeña

Circuito equivalente del capacitor sin L

Circuito equivalente serie

Circuito equivalente paralelo

Rs

Rp

C

Rs CsRp

Cp

L PequeñaL Grande

RS vs RP , ¿cuál es mejor ?

SMD

¿Cúal es el circuito equivalente correcto?

• Ambos son correctos.

• Para componentes con bajo Q o alto D uno es mejor aproximación que el otro.

• Para componentes con alto Q o bajo D.CS CP

2D 1 . C C PS Rs Cs

RP

CP

Agenda Medición básica de Impedancia Discrepancias en la Medición Técnicas de Medición Compensación de Errores

Técnicas de Medición

• Puente auto balanceado.

• Resonancia (Q – metro).

• I – V.

• I – V en RF.

• Análisis de redes (Coeficiente de reflexión).

• TDR (Reflectometría en el dominio del tiempo).

Tópicos de las Técnicas de Medición

• Criterio para seleccionar la técnica a emplear.

• Teoría de funcionamiento.

• Ventajas y desventajas de cada técnica.

• Prolongación de las conexiones de entrada.

• Compensación para minimizar el error de medición.

Criterio para seleccionar técnicas de medición

• Frecuencia.

• Impedancia del DUT.

• Exactitud requerida.

• Condiciones eléctricas para efectuar las pruebas.

• Medición de parámetros.

• Características físicas del DUT.

Técnicas de medición vs. frecuencia

Analizador de Redes100 KHz

1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G

Frecuencia (Hz)

Puente auto balanceado5 Hz 40 MHz

22 KHz 70 MHzResonancia

I-V10 KHz 110 MHz

30 MHz

I-V en RF1 MHz 1,8 GHz

Impedancia y capacidad en función de la frecuencia

1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

10M

1M

100K

10K

1K

100

10

1

100m

1mF10mF100mF100uF

10uF1uF

100nF10nF 1nF

10pF

100fF 1fF

Frecuencia (Hz)

Impe

danc

ia

(Ohm

s)

160

100pF 1pF

10fF

Gráfico de reactancias

1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

10M

1M

100K

10K

1K

100

10

1

100m

10nH

1nH

100p

H10

0nH

1uH

10uH

100u

H1mH10mH

100m

H

10H

1KH100K

H

1mF10mF100mF

100uF10uF

1uF100nF

10nF 1nF

10pF

100fF

1fF

Frecuencia (Hz)

Impe

danc

ia

(Ohm

s)

Solución por comparación de frecuencia

Frecuencia (Hz)

10M

1M

100K

10K1K

100

10

1

100mImpe

danc

ia(O

hms)

10m

1m

100M

100K 1M 10M 100M 1G Hz10G

Analizador de red

I-V en RF

10 100 1K 10K

I-V

Puente auto balanceado

¿Cuál es el mejor?

• Todos son buenos.

• Cada uno tiene sus ventajas y desventajas.

• Pueden requerirse técnicas múltiples.

Puente auto balanceadoTeoría de funcionamiento

V

-+

2

V1

DUTH L R2

I2

Tierra Virtual

I

I = I2

V2 = I2 . R2

2

21

2

2

VR . V

IV Z

Puente auto balanceado

• Mayor exactitud, básicamente 0,05%.

• Gran rango de medición.

• C, L, D, Q, R, X, G, B, Z, Y, ,

• Gran variedad de condiciones para efectuar pruebas.

• Simple de usar.

• Baja frecuencia, f < 40 MHz.

Ventajas y Desventajas

La medición de alto Q / bajo D es dificultosa

-jX

+jX

R

Impedancia de dispositivos de muy alto Q

R muy pequeña, dificulta la mediciónR1

X1

1

1

RX Q

Técnica de resonancia (Q - Metro)Teoría de funcionamiento

• Sintoniza C para hacer resonar al circuito.• En resonancia XD = XC , solamente se tiene el valor

de R.

V~OSC

Sintonizandoa C (XC)

L (XD), RDDUT

e

)resonancia a ( e

V . R IV X D

C

eV

RX

RX

QD

C

D

D

Ze I

Método de ResonanciaVentajas y Desventajas

Vectorial75 KHz – 30 MHzRápido y automáticoFácil de usarCompensación limitada

Escalar• 22 KHz – 70 MHz• Lento y manual• Requiere experiencia del usuario• Sin compensación

Muy bueno para mediciones de alto Q – bajo D.

Requiere bobinas de referencia para medir capacitores.

Buena exactitud para valores limitados de L y C.

Técnica I - V Teoría de funcionamiento

V2

V1

DUTI 2

R2

222 R . I V

2

21

2

1

VR . V

IV Z

• Frecuencias medias, 10 KHz < f < 110 MHz.

• Exactitud y rango de medición moderado.

• Mediciones en circuitos con puesta a tierra.

• Simple de usar.

I-V (Puntas) Ventajas y Desventajas

I-V en RFTeoría de funcionamiento

Vi

Vv

Ro

Ro

Vi

Vv

Ro

Ro DUT DUT

Detección deTensión

Detección de Corriente

Prueba de una cabeza de alta impedancia

Prueba de una cabeza de baja impedancia

Detección de CorrienteDetección de

Tensión

I-V en RFVentajas y Desventajas

• Alta frecuencia, 1 MHz < f < 1,8 GHz.

• Mayor exactitud del método para f > 100 MHz.

• El DUT debe estar conectado a tierra.

Técnica de Análisis de Red (Reflexión)

Teoría de funcionamiento

DUT

V

VINC

R

OL

OL

INC

R

Z Z Z- Z

VV

Análisis de RedVentajas y Desventajas

• Alta frecuencia.– Conveniente, f > 100 KHz.– Mejor, f > 1,8 GHz.

• Exactitud moderada.

• Rango de medición de impedancia limitado.(El DUT deberá tener alrededor de 50 ).

TDRTeoría de Funcionamiento

ZL

DUT

Osciloscopio

Generador de pulsos

VVINC R

R – L Serie

R – C Paralelo

0 t0L

0L

INC

R

Z Z Z- Z

VV

TDNA (TDR)Ventajas y Desventajas

• Medición de reflexión y transmisión.• Desadaptación de impedancias o discontinuidades

simples o múltiples (consideradas dentro del DUT).• La impedancia del DUT deberá estar alrededor de

50 .• No es exacta para DUT´s de m, M o con

múltiples reflexiones.• Buena para caracterizar diseños de líneas de

transmisión y evaluaciones de alta frecuencia.

Reglas simples de selecciónResumen

• Puente auto balanceado, baja frecuencia, f < 40 MHz.

• I–V, para mediciones en circuitos con puesta a tierra, frecuencias medias, 10 KHz < f < 110 MHz.

• I–V en RF, alta frecuencia, 1 MHz < f < 1,8 GHz.

• Análisis de redes, alta frecuencia, f > 1,8 GHz.

• Resonancia, alto Q bajo D.

• TDNA, discontinuidades y parámetros distribuidos.

Métodos de medición y productos HP

Puente Auto balanceado

(4 pares de terminales

Resonancia (Q-Metro)

RF I-V

Método de medición Producto HP Rango de frecuencia

HP 41941A Impedance Probe (withHP 4194A)HP 4193A Vector Impedance Meter

HP 42851A Q Adapter ( with HP 4285A)

10KHz to 100MHz

400KHz to 110MHz

10Hz to 40MHz5Hz to 13MHz

20Hz to 1MHz spot100Hz to 10MHz spot

75KHz to 30MHz

75KHz to 30 MHz

HP 4263A LCR Meter

HP 4284A Precision LCR Meter

HP 4192A LF Impedance AnalyzerHP 4194A Impedance/Gain-PhaseAnalyzer

HP 4285A Precision LCR Meter

HP 427xA LCR Meters

HP 4286A RF LCR MeterHP 4291A Impedance/Material Analyzer

100Hz to 100 kHz spot

1 MHz to 1 GHz1 MHz to 1.8 GHz

I-V (Puntas)

Métodos de medición y productos HP (cont.)

Analizador de redes(Coeficiente de reflexión)

TDNA (TDR)

Método de medición Producto HP Rango de frecuencia

300KHz to 1.3GHz/6GHz

130MHz to 13.5GHz/20GHz

45 MHz to 100GHz

5Hz to 500MHz

100 kHz to 500MHz

100 kHz to 1.8 GHz

HP 8751A Network AnalyzerHP 8752C/8753D RF Network AnalyzersHP 8510B Network Analyzer

HP 54121T Digitizing Oscilloscope and TDR

HP 4195A Network/Spectrum Analyzerwith HP 41951A Impedance Test Set

HP 8752C/8753D RF Network Analyzers

HP 8719C/8720C Network Analyzers

HP 8510B Network AnalyzerHP 8719C/8720C Network Analyzers

HP 4396A Network/Spectrum Analyzerwith HP 43961A Impedance Test Kit

Selección de la frecuencia de prueba

• Caso ideal: efectuar la prueba en las condiciones de funcionamiento.

• En la realidad deberá emplearse otra.

• A muy altas frecuencias se suman los errores del instrumento y los del accesorio de prueba.

• Es más dificultosa la medición de DUT´s con impedancias del orden del m y del M.

Ejemplos de mediciónMedición de un capacitor ideal de 100 pF a 200 MHz

1 10 100 1K 10K100K1M 10M100M1G

10M

1M

100K

10K

1K

100

10

1

100m

1mF10mF100mF100uF

10uF1uF

100nF10nF1nF

10pF

100fF

1fFf (Hz)

100pF

1pF 10fFZ ()

4284A

4194A

41941 4195

A

Comparación de exactitud

4284A a 1MHz (1600 ): 0,05%

4194A a 10 MHz (160 ): 1,3%

4284A a 40 MHz (40 ): 5,2%

41941A a 40 MHz (40 ): 3,6%

41941A a 100 MHz (16 ): 6,2%

4195A a 200 MHz (8 ): 1,9%

Puente auto balanceadoA: CpA MAX 13.00 pFB MAX 350.0 m

B: D MKR 1 006 570.375 HzCp 10.0742 pF

A/DIV 500.0 fF START 1 000.000 HzSTOP 40 000 000.000 HzB\DIV 50.00 m

D

I - VA: CpA MAX 13.00 pFB MAX 1.000

B: D MKR 1 011 579.454 HzCp 10.4523 pF

A/DIV 500.0 fF START 100 000.000 HzSTOP 100 000 000.000 HzB MIN 0.000

D

Análisis de RedesA: REF

13.00p[ F ]

B: REF MKR 1 018 519.448 HzCp 10.7531p F

DIV START 100 000.000 HzSTOP 500 000 000.000 Hz500.0f

D

IMPEDANCE

180.0[ F ]

RBW: 3 KHZ ST: 6.15 sec RANGE: A= 0, T= 0dBm36.00DIV

Agenda

Medición básica de Impedancia Discrepancias en la Medición Técnicas de Medición Compensación de Errores

Compensaciones para minimizar errores en la medición

Compensación y calibración.(Compensación Calibración)

– Definición de compensación y calibración.– Corrección del cable.

Compensación ABIERTO/CERRADO (A/C).– Teoría básica.– Problemas que no pueden ser eliminados con la compensación

A/C. Compensación ABIERTO/CERRADO/CARGA (A/C/C).

– Teoría básica.– Selección del dispositivo de carga.

Ejemplos prácticos. Resumen.

Definir el “Plano de Calibración” en el cual se especifica la exactitud de la medición

Definición de Calibración

Analizador de ZMedidor de LCR Dispositivo

Standard100

Plano de Calibración

(Exactitud especificada de la medición)

100

Corrección de cables

Medidorde

LCR Cables de medición

Plano de calibración Plano de calibración

Medidorde

LCR

Definición: extensión del Plano de calibración empleando los cables especificados por el fabricante.

Definición de compensación

Analizador de ZMedidor de LCR

Accesorios, CablesScanner, etc.

DUT

Plano de calibración

Para reducir los efectos debido a las fuentes de error existentes entre el DUT y el Plano de calibración del instrumento.

100

+ Z + Z

100

2 tipos de compensación

•Compensación Abierto/Cerrado.

•Compensación Abierto/Cerrado /Carga.

Compensación Abierto/Cerrado (A/C)Teoría Básica

ZDUT

RS LS

CO GO

HCHP

LP

LC

Zm

Impedancia Residual (ZS)

Efectos Residuales del Accesorio

Admitancia de Pérdida ( YO )

ZS = RS + j LS

YO = GO + j CO

OSm

SmDUT Y . Z- Z - 1

Z- Z Z

Discusión de la Compensación A/CProblema Nº 1

SCANNER Efectos residuales

Capacidad de pérdidas

Inductancia residual

Resistencia residual

DUT

Dificultad para eliminar los efectos residualesMedidor de LCR

Discusión de la Compensación A/CProblema Nº 2

Dificultad para eliminar el error por corrimiento de fase

Medidor de LCR

DUT

Accesorio para prueba

Longitud de cable* no standard

* no es un cable provistopor el fabricante

Discusión de la compensación A/CProblema Nº 3

Dificultad para tener correlación entre instrumentos.Discrepancia en los valores medidos

100 pF

100 pF

100 pF

99.7pF

101 pF

102 pF

Caso Ideal Caso Real

0,01

0,01

0,01

0,02

0,005

0,0003

Instrumento Nº 1

Instrumento Nº 2

Instrumento Nº 3

Compensación ABIERTO/CERRADO/CARGA (A/C/C)

Teoría Básica

ZDUT

A BC D DUTV 2V1

Circuito desconocidocon 2 pares de terminales

Impedancia del Instrumento

I1 I2

Compensación A/C/CTeoría Básica

XMOSXM

SXMSMOSTDDUT Z- Z . Z- Z

Z- Z . Z- Z . Z Z

ZO = valor de la medición a circuito abierto.

ZS = valor de la medición a circuito cerrado.

ZSM = valor de la medición con el dispositivo de carga.

ZSTD = valor verdadero del dispositivo de carga.

ZXM = valor medido del DUT.

ZDUT = valor corregido del DUT.

Estos son vectores complejos. Es necesario la conversión a componentes reales e imaginarias.

Compensación A/C/C

• Elimina los efectos residuales complicados.

• Elimina el error por corrimiento de fase.

• Maximiza la correlación entre instrumentos.

Efectos de la compensación A/C/C

)(

1

2

C-e

rror d

e m

edic

ión

[%]

f (KHz)800 1000600400200

Compensación A/C

Compensación A/C/C)(

3

Procedimiento para compensación A/C/C

1. Medir el dispositivo de CARGA lo más exacto posible.

Conexión directa del accesorio de prueba.

2. Medir el valor de CARGA en la entrada como valor de referencia.

Procedimiento para compensación A/C/C

4. Medir el DUT en los terminales de prueba.

Terminales de prueba.Accesorio de prueba con efectos residuales complejos.

3. Efectuar la compensación A/C/C en los terminales de prueba.

Selección del dispositivo de CARGA

• Cuando se mide DUT´s que tienen varios valores de impedancia.

Seleccionar un dispositivo de Carga que posea valores de impedancia entre 100 1 K .

• Cuando se mide un DUT el cual tiene un solo valor de impedancia.

Seleccionar un dispositivo de Carga cuyo valor de impedancia esté lo más cercano posible delDUT a medir.

Consideración Nº 1

Selección del dispositivo de CARGA

• Seleccionar cargas resistivas y capacitivas puras y estables (capacitores con bajo D, por ej. de mica).

• Los valores de la Carga deben conocerse con exactitud.

Consideración Nº 2

Ejemplos Prácticos

4284A

16047C

DUT DUT

4285A

16048D

16047A

(A) (B)

(1)(1)

(2)

Ejemplos Prácticos

4285A

DUT

4285A

16048A

(C) (D)

DUT

16047A

Sin cable HP

SCANNER(1) (1)

(2) (2)

Ejemplos Prácticos (E)

4195A 16092A

41951A

(2)

(1)

Resumen

•Elimina los efectos residuales complejos de los accesorios.Compensación A/C/C

•Elimina los efectos residuales simples de los accesorios.Compensación A/C

•Elimina los efectos existentes de las fuentes de error entre elPlano de Calibración y el DUT.

Compensación

•Elimina los efectos del error del cable.•Extiende el Plano de calibración al extremo del cable.

Corrección del cable

•Elimina los errores del sistema de instrumentos.•Define el Plano de Calibración usando el standard CAL.

Calibración

Teoría

Comparación entre Calibración y Compensación

Resumen

¿Cúal técnica de compensación se debe utilizar?

- Guía de Selección -

Compensación residual

Accesorios de conexiónInstrumentos

Solamente A/C.

Corrección de cable + A/C

Corrección de cable + A/C/C

A/C/C

A/C o A/C/C

Accesorio de pruebadirecto

Accesorio complejoScanner,etc.

Accesorio de pruebadirecto

Otros accesorios

Directo Accesorio de prueba

Cable especificado

Cable no especificado

Accesorio de prueba diseñado para la tarea

Analizador de ZMedidor de LCR

(4284A, 4285A, etc.)

Accesorio Secundario

Accesorio Primario