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