KEYSIGHT是德Agilent安捷倫測量阻抗的8點提示應(yīng)用指南
測量電子器件,
實現(xiàn)電路的設(shè)計性能提示1. 阻抗參數(shù)的確定和選擇
提示2. 選擇正確的測量條件
提示3. 選擇適當(dāng)?shù)膬x器顯示參數(shù)
提示 4. 測量技術(shù)具有局限性
提示5. 進行校準
提示6. 進行補償
提示 7. 消除相位偏移和端口擴展的誤差
提示 8. 夾具和連接器維護
目錄 首先需要了解的基本知識
測量阻抗有幾種不同的技術(shù)和方法，應(yīng)該根據(jù)測量的頻率范圍、要測量的阻抗參數(shù)以及想要顯示的測量結(jié)果來選擇一個具體的測試技術(shù)。
自動平衡電橋技術(shù)在從毫歐姆到兆歐姆很寬的阻抗測量范圍內(nèi)有*的測量精度，與之相適應(yīng)的測量頻率范圍可以從幾Hz到110 MHz。
IV和 RF-IV技術(shù)在從毫歐姆到兆歐姆的阻抗測量范圍內(nèi)的測量精度同樣很好，與之相適應(yīng)測量頻率范圍可以從 40 Hz到3 GHz左右。
傳輸/ 反射技術(shù)在非常寬的頻率范圍，從 5 Hz 到 110 GHz 以上，測量 50歐姆或 75歐姆附近的阻抗值時，具有非常高的測量精度。
LCR表和阻抗分析儀的主要區(qū)別之一是它們對測量結(jié)果的顯示方式。
LCR表用數(shù)字顯示測量結(jié)果，而阻抗分析儀既可以用數(shù)字也可以用圖形顯示測量結(jié)果。
LCR 表或阻抗分析儀所采用的測量技術(shù)和儀表的類型無關(guān)，根據(jù)測量的頻率范圍，它們可以采用RFIV、 IV或自動平衡電橋技術(shù)。
用戶會出于各種原因而需要測量器件的阻抗。一個典型的情況是工程師們需要對用在其所設(shè)計的電路中的器件的阻抗特性進行測量，因為通常情況下這些器件的供應(yīng)商只給出了器件阻抗值的額定數(shù)據(jù)。
在某種程度上，在決定產(chǎn)品的zui終設(shè)計性能，甚至決定制成品的生產(chǎn)時都會與產(chǎn)品所用器件的阻抗值有關(guān)，zui終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量會受到器件的測量精度以及對器件的測量是否夠全面的影響。
這份資料提供一些有用的信息
來幫助工程師們熟悉自動平衡電橋、IV 和RF-IV 測試技術(shù)的使用。對于使用反射法測量阻抗的技術(shù)人員，可以從安捷倫編號為 1291-1的應(yīng)用指南“提高網(wǎng)絡(luò)分析儀使用能力的8條提
示” ( 文獻編號為 5965-8166CHCN) 中找到類似的信息。
圖0-1. 各種測量方法和相應(yīng)的測量精度范圍
阻抗測量范圍 (Ω)
測量頻率范圍(Hz)
自動平衡電橋
IV
10%精度范圍
傳輸/反射
RF-IV
2提示 1.
阻抗參數(shù)的確定和選擇
阻抗是表征電子器件特性的參數(shù)之一。阻抗 (Z) 的定義是器件在給定的頻率下對交流電流(AC) 所起的阻礙作用。
阻抗通常用復(fù)數(shù)量( 矢量) 的形式來表示，可以把它畫在極坐標(biāo)上。
坐標(biāo)的*和第二象限分別對應(yīng)正的電感值和正的電容值; 第三和第四象限則代表負的電阻值。阻抗矢量
由實部 (電阻 — R)和虛部(電抗 —X)組成。
圖1-1所示是阻抗矢量的值落在極坐標(biāo)系統(tǒng)中*象限的情況。
電容 (C)和電感 (L)的值可從電阻
(R)和電抗(X)值中推導(dǎo)出來。電抗的
兩種形式分別是感抗(XL)和容抗(XC)。
品質(zhì)因數(shù)(Q) 和損耗因數(shù)(D) 也
可從電阻和電抗的值中推導(dǎo)出來，
這兩個參數(shù)是表示電抗純度的。當(dāng)Q
值偏大或 D 值偏小時，電路的質(zhì)量
更高。 Q的定義是器件所儲存的能量
與其做消耗的能量的比值。 D是Q的
倒數(shù)。 D 還等于“ tan δ”，其中 δ 是
介質(zhì)損耗角 (δ是相位角 θ的余角 )。 D
和Q均屬于無量綱的量。
圖1-2顯示的是阻抗與可以從阻
抗值中所推導(dǎo)出的參數(shù)的關(guān)系。
圖 1-1. 阻抗的矢量表示 圖1-2. 電容器和電感器參數(shù)
虛部
電感器
電容器
實部
3提示 2.
選擇正確的測量條件
器件制造商給出的器件阻抗值
所代表的是在規(guī)定的測量條件下器
件所能達到的性能，以及在生產(chǎn)這
些器件時所允許出現(xiàn)的器件性能的
偏差。如果在設(shè)計電路時需要很精
確地知道所使用器件的性能的話，
就有必要專門對器件進行測量來驗
證其實際值與標(biāo)稱值之間的偏差，
或在不同于制造商測試條件的實際
工作條件下測量器件的阻抗參數(shù)。
由于寄生電感、電容和電阻的
存在，所有器件的特性會隨著測量
頻率的變化而變化的現(xiàn)象是非常常
見的。
圖2-1顯示的是一個常用的電容
器在理想情況下其阻抗隨頻率變化的
特性和實際上有寄生參數(shù)存在時其阻
抗隨頻率變化的特性之間的差別。
圖2-1. 電容器的頻率特征
器件阻抗的測量結(jié)果還會受到
在測量時所選擇的測量信號的大小
的影響，圖2-2顯示的是阻抗測量結(jié)
果隨著交流測量信號的大小而變化
的情況:
● 電容值(或材料的介電常數(shù)，即 K
值)的測量結(jié)果會依賴于交流測量
信號電壓值的大小。
● 電感值(或材料的磁滯特性)的測
量結(jié)果會依賴于交流測量信號電流
值的大小。
如圖 3和其中的公式所示，在測
量時實際施加在被測器件兩側(cè)的交
流電壓VDUT是和它自身的阻抗、信
號源的內(nèi)阻以及信號源的輸出電壓
有關(guān)的。
使用儀表的自動電平控制 (ALC)
功能可使被測器件 (DUT)兩側(cè)的電壓
保持在一個恒定的值上。如果儀表
內(nèi)部沒有ALC功能但是有監(jiān)測信號大
小的功能，可以利用這個功能給這
種儀表編寫一個相當(dāng)于ALC功能的控
制程序來保證被測器件兩端上的電
壓穩(wěn)定。
通過控制測量積分時間(相當(dāng)于
數(shù)據(jù)采集時間)可以去除測量中不需
要的信號的影響。利用平均值功能
可以降低測量結(jié)果中的隨機噪聲。
延長積分時間或增加平均計算的次
數(shù)可以提高測量精度，但也會降低
測量速度。在儀表的操作手冊中對
這部分內(nèi)容都有詳細的解釋。
其它有可能影響測量結(jié)果的物
理和電氣因素還包括直流偏置、溫
度、濕度、磁場強度、光強度、振
動和時間等。
圖 2-2. 測量結(jié)果對測量信號大小的依賴性 圖2-3. 實際施加到被測器件上的信號和保證信號穩(wěn)定的原理
相位(實際值)
阻抗(實際值)
阻抗(理想值)
相位(理想值)
高介電常數(shù)
中等介電常數(shù)
低介電常數(shù)
(無依賴性)
交流測試電壓 交流測試電流
(無依賴性)
激勵源內(nèi)阻
激勵源
反饋
(a) 陶瓷電容器測量結(jié)果對
交流電壓值的依賴性
(b) 磁芯電感器測量結(jié)果
對交流電流值的依賴性 被測器件
4提示 3.
選擇適當(dāng)?shù)膬x器顯示參數(shù)
現(xiàn)在有很多阻抗測量儀器都能夠
測量阻抗矢量的實部和虛部，然后再
把它們轉(zhuǎn)換為其它所需要的參數(shù)。
如果一個測量結(jié)果顯示為阻抗
(Z)和相位(θ)，那么被測器件的主要
參數(shù)(R、 C、 L) 和其它所有寄生參數(shù)
所表現(xiàn)出來的綜合特性就體現(xiàn)在|Z|
和θ的數(shù)值的大小上。
如果要想顯示一個被測器件除阻
抗和相角以外的其它參數(shù)，可以使用
它的二元模型等效電路，如圖3-1所
示。在區(qū)分這些基于串聯(lián)或并聯(lián)電路
模式的二元模型時，我們用腳注“ p”
代表并聯(lián)模型，用“ s”代表串聯(lián)模型，
例如Rp、 Rs、 Cp、 Cs、 Lp或Ls。
在現(xiàn)實世界中沒有器件是純粹的
的電阻、純粹的電容、純粹的電感。
任何常用的器件通常都會有一些寄生
參數(shù)(例如由器件的引腳、材料等引
起的寄生電阻、寄生電感和寄生電
容)存在，表現(xiàn)器件主要特性的部分
和寄生參數(shù)部分結(jié)合在一起會使一個
簡單的器件在實際工作中表現(xiàn)得就像
一個復(fù)雜的電路一樣。
近年來新推出的阻抗分析儀都帶
有等效電路分析的功能，可以用
三元或四元電路模型的形式對測量結(jié)
果進行進一步的分析，如圖3-2所示。
使用這種等效電路分析功能可對器件
更為復(fù)雜的寄生效應(yīng)進行全面分析。
圖 3-1. 測量結(jié)果的等效電路模型 圖3-2. 等效電路分析功能
電容器等效電路
串聯(lián)模型 并聯(lián)模型
簡化為二元模型
等效電路模型
磁芯損耗較高
的電感器
電容器
電感器和
電阻器
諧振器
高阻值
電阻器
5提示 4.
測量技術(shù)具有局限性
在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)制造的測量
中，我們經(jīng)常被問到的問題恐怕就
是:“測量結(jié)果的精度有多高 ?”
儀器的測量精度實際上取決于
被測器件的阻抗值和所采用的測量
技術(shù)，如第2頁圖0-1所示。
在確定測量結(jié)果的精度時，需
要把測量到的被測器件的阻抗值和
所使用儀表在所適用的測量條件下
的精度進行比較才可以知道。
圖4-1顯示了在測量頻率為1 MHz
時， 1 nF電容器的阻抗值為159 Ω。
儀表關(guān)于D值和Q值的測量精度
的指標(biāo)通常不同于儀表關(guān)于其它阻
抗參數(shù)測量精度的技術(shù)指標(biāo)。
對于低損耗(D 值很低， Q 值很
高 ) 器件， R 值相對于 X 值而言是非
常小的。 R 值的細小變化將會引起Q
值的很大變化，如圖 4-2所示。
如果測量結(jié)果的誤差跟所測到
得的R的值相近似的話，就會導(dǎo)致 D
或Q值的測量結(jié)果是負數(shù)的現(xiàn)象。
需要時刻注意的是，測量結(jié)果
的誤差包括儀表自身的測量誤差和
測量夾具引起的誤差。
圖 4-1. 電容器的阻抗值和所選擇的測量頻率有關(guān) 圖4-2. Q值測量誤差的示意圖
用1 MHz的測量頻率測量1 nF
的電容器
電容器的阻抗值
測試頻率(Hz)
阻抗(Ω)
6提示 5.
進行校準
進行校準的目的是給儀表定義
一個能夠保證測量精度的基準面，
如圖5-1所示。通常都是在儀表的測
量端口上進行校準，在測量時用校
準數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)進行修正。
安捷倫科技采用自動平衡電橋
技術(shù)的儀表在出廠時或是在維修中
心都做過基礎(chǔ)的校準，可以在一定
時期內(nèi)( 通常為 12 個月 )，不論在測
量中對儀表進行何種設(shè)置，測量結(jié)
果都可以達到儀表指標(biāo)規(guī)定的測量
精度，操作人員使用這種儀表時是
不需要進行校準操作的。
對不采用自動平衡電橋技術(shù)的
儀表而言，在儀表初始化和設(shè)置好
測量條件之后，使用一套校準件對
儀表進行基礎(chǔ)校準是必須的。在使
用校準件對這類儀表進行校準時，
這個提示所提供的信息是很有用的。
一些測量儀表還提供固定校準
模式和用戶校準模式供使用者選擇。
固定校準模式是在預(yù)先設(shè)定( 固定 )
的頻率上對校準件進行測量得到校
準數(shù)據(jù)。在固定校準頻點之間，校
準數(shù)據(jù)可以通過內(nèi)插法計算出來。
固定校準模式在固定校準頻率
之間的頻點上的內(nèi)插數(shù)據(jù)有時會存
在較大的誤差，當(dāng)測量頻率較高時
這些內(nèi)插校準數(shù)據(jù)的誤差可能會非
常大。
用戶校準模式是在與實際測量
中所選擇使用的頻率*一樣的頻
點上對校準件進行測量得到教準數(shù)
據(jù)，對于一些具體的測量而言，用
戶校準模式不會產(chǎn)生校準數(shù)據(jù)的內(nèi)
插誤差。
特別需要注意的是，用戶校準
模式得到的校準數(shù)據(jù)僅對測量條件
和校準條件 ( 指儀表的狀態(tài) ) *一
樣的情況有效。
圖 5-1. 校準面
通過校準定義一個測量精度達到指標(biāo)規(guī)定的基準
阻抗分析儀
校準面
校準標(biāo)準件
短路 開路 負載
低損耗
電容器 *
*Agilent 4291B、
4286A和4287A
7提示 6.
進行補償
補償不同于校準，補償對提高
測量精度的效果取決于儀器的校準
精度，因次必須在校準完成之后再
執(zhí)行補償?shù)牟僮鳌?br />如果可以把被測器件直接連在
校準面上進行測量，那么儀表的測
量結(jié)果是能夠達到指標(biāo)所規(guī)定的精
度要求的。但是，通常都會在校準
面和被測器件之間連接一個測試夾
具或適配器，因而必須對這種中間
部件的殘留阻抗進行補償才可以得
到的測量結(jié)果。
由測試夾具或適配器引起的測
量誤差可能會非常大，而總的測量
精度是由儀器的精度和被測器件與
校準面之間的誤差源組成的。
驗證補償?shù)男Ч欠衲苁闺S后
的測量正常進行是非常重要的。一
般而言，在補償時，開路條件下的
補償測量器件的阻抗值應(yīng)當(dāng)至少是
被測器件阻抗值的 100倍以上，而短
路條件下的阻抗值應(yīng)當(dāng)?shù)陀诒粶y器
件阻抗值的 1/100。
開路補償可降低或消除雜散電
容，而短路補償可降低或消除測量
夾具引起的能夠?qū)е抡`差增大的殘
留電阻和電感。
在進行開路或短路補償測量時，
應(yīng)該使補償器件兩個引腳 ( 即所謂
UNKNOWN 引腳) 之間的距離與實際
測量時被測器件引腳之間的距離一
樣，這樣可以保證補償測量和實際
測量所碰到的寄生阻抗是一致的。
當(dāng)測量端口被擴展到安捷倫提
供的標(biāo)準夾具距離之外、或者用戶使
用自己設(shè)計的測量夾具、或者在測
量系統(tǒng)中還使用了掃描儀時 — 這
些情況都涉及到在測量中又引入了
額外的無源器件或電路 (例如巴侖、
衰減器、濾波器等)，那么在做補償時，
除了要做開路和短路補償之外，還
要做負載補償。進行負載補償所用
到的器件的阻抗值一定是已知的而
且要，并且還應(yīng)當(dāng)選擇與被測
器件的阻抗( 在全部的測試條件下 )
和尺寸類似的器件做負載補償器件。
可把性能很穩(wěn)定的電阻器或電容器
當(dāng)成負載補償測量器件使用。
在選擇補償器件時一種比較實
際的做法是先用一個標(biāo)準夾具，在
進行完開路和短路補償之后再去測
量準備當(dāng)補償負載用的器件，用這
種方法來確定負載補償器件的阻抗
值，然后可以把這個阻抗值輸入給
儀表作為補償測量標(biāo)準件的值。
圖 6-1. 開路/短路補償
阻抗測量
儀器
測試夾具
被測器件
Zs: 測試夾具的剩余阻抗
Yo: 測試夾具的剩余導(dǎo)納
Zm: 測量值
Zdut: 被測器件阻抗
8提示 7.
消除相位偏移和端口擴展的誤差
通過電纜長度校正、端口擴展或
電延遲，可將校準面擴展至測量電纜
末端或夾具表面，這些種校正可降低
或消除測量電路中的相移誤差
當(dāng)需要把儀表的測量端口延伸
使其遠離校準面時，如圖 7-1所示，
延長電纜的電氣特征會影響總的測
量性能。以下這些辦法可以降低這
些影響:
● 盡量使用短的電纜來做測量端口的
延伸。
● 使用高度屏蔽的同軸電纜，以阻隔
外部噪聲產(chǎn)生的影響。
● 盡量使用損耗非常小的同軸電纜，
因為在擴展測量端口的操作中是假
設(shè)不存在電纜損耗的，因此損耗zui
小的電纜可以避免測量精度的
劣化。
開路/ 短路補償無法減少由測
試夾具引起的相移誤差。
在測量頻率達到射頻范圍時，
應(yīng)當(dāng)在延長電纜的末端進行校準。
如果在延長電纜的末端不能連接校
準件，那么當(dāng)延長電纜比較短而且
特性很好時，可以用端口延伸來代
替校準。
在使用自動平衡電橋儀表的情
況下，如果測量電纜或延伸電纜是
非標(biāo)準的( 不是由安捷倫提供的)，
那么應(yīng)該電纜或夾具的末端進行開
路/短路/負載補償。安捷倫自動平
衡電橋儀表所使用的端口延長標(biāo)準
電纜(1、 2或 4米)使用電纜長度補償
數(shù)據(jù)進行誤差校正，通常在使用時
應(yīng)該把這些標(biāo)準延長電纜末端的屏
蔽層連接到一起。
任何形式的端口擴展都有局限
性，它們都會因為測量電路的損耗
和/ 或相位偏移而引起測量誤差，
在進行端口延伸之前必須要對這種
操作的局限性有清楚的了解。
圖 7-1. 測量端口擴展
阻抗測量
儀器
延長電纜
被測器件
測試夾具
9提示 8.
夾具和連接器維護
高質(zhì)量的電氣連接能夠確保進
行精密的測量。每一次把被測器件
與儀表或測量電纜、夾具進行連接
時，接合面的特征都會隨著連接的
質(zhì)量而有所不同，接合面的阻抗失
配會影響測試信號的傳播。
應(yīng)當(dāng)經(jīng)常留意測試端口的接合
表面、適配器、校準標(biāo)準件、夾具
連接器和測試夾具等的質(zhì)量和狀態(tài)。
連接的質(zhì)量取決于以下因素:
● 連接的組成部分
● 采用的技術(shù)
● 經(jīng)常進行高質(zhì)量維護
● 保證清潔度
● 按照標(biāo)準要求保存儀表和部件
連接的組成部分
俗話說“一環(huán)薄弱，全局必垮”。
測量系統(tǒng)也是如此。如果測試系統(tǒng)
中使用了低質(zhì)量的電纜、適配器或
夾具，那么系統(tǒng)的整體質(zhì)量都會降
到zui低水平。
采用的技術(shù)
通過使用力矩扳手和一些常識，
可確保在進行重復(fù)連接時不出現(xiàn)器
件損壞。器件損壞包括配合表面的
刮痕和變形。
經(jīng)常進行高質(zhì)量維護
多數(shù)測量部件接合表面的部分
都是可以替換的，把已經(jīng)多次使用
而性能變差的部分換掉。有的部件
接合表面的部分是不可以替換或修
復(fù)的，那么應(yīng)該定期用新的部件去
替換舊的部件。
保證清潔度
使用無腐蝕性/無損溶劑(例如
去離子水和純異丙醇)和無塵布擦拭
接合表面可以保證它們的阻抗不受
油跡或其它雜質(zhì)的影響。請注意，
一些塑料在使用異丙醇時會發(fā)生性
質(zhì)的該變。
按照標(biāo)準要求保存儀表和部件
如果儀器的包裝不提供附件袋，
那么應(yīng)當(dāng)使用有蓋的塑料盒和塑料
封套來保護所有未在使用狀態(tài)下的
接合表面。

10安捷倫阻抗測量儀表
LCR表
LCR表能夠輕松、地測量元件，例如電容器、電感器、變壓器和機電裝置。這些儀器能夠在特定的測量條件(例如測試頻率和信號電平 )下工作，這對于研發(fā)、生產(chǎn)測試和 QA環(huán)境來講十分重要。
阻抗分析儀
安捷倫阻抗分析儀能夠測量因特定測量條件改變而引起的元件性能的特征變化。性能特征的變化以圖形格式顯示。這些分析儀具備復(fù)雜的功能，包括游標(biāo)和編程，可簡化對測量結(jié)果的評測。它們還具備一些特性，可為研發(fā)提供特征評估，并為QA 提供可靠性評估 ( 包括溫度特征)。
網(wǎng)絡(luò)分析儀
網(wǎng)絡(luò)分析儀利用傳輸/ 反射技術(shù)在射頻和微波頻率上執(zhí)行阻抗測量。它們的圖形顯示配有游標(biāo)和編程功能，可簡化測量結(jié)果的分析。
安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀適用于研發(fā)和QA領(lǐng)域。
組合分析儀
安捷倫組合分析儀將矢量網(wǎng)絡(luò)、頻譜和阻抗測量三種功能集于一身。
這些儀器可為工程師提供多種功能，覆蓋了從電路設(shè)計到元件評測的廣泛應(yīng)用。