CN107390051A - 一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法及测量装置 - Google Patents

一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法及测量装置，具体过程为：将VNA上的两个端口(Port1和Port2)分别通过同轴线缆连接注入探针、拾取探针，VNA上的端口Port3通过同轴线缆连接SMA连接器；串接导线一端接至SMA连接器的中间信号管脚，另一端接至SMA连接器的地管脚；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现预校准装置S参数测试；令VNA上的端口Port3开路，将串接导线、注入探针及拾取探针置于待测元器件电路环路中；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现测试装置S参数测试；根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，拟合得出待测器件的在线特性。本发明保证了在不影响DUT工作状态的前提下对其实施测量。

Description

一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法及测量 装置
技术领域
本发明属于电子测量技术领域，尤其涉及一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法及测量装置。
背景技术
在电子产品设计中，电阻、电容、电感、滤波器、磁珠等是常用的元器件，常用于电路的匹配、滤波、稳压、隔离等功能，在实际使用时，他们的标称值往往是设计者最重要的参考。然而，由于材料、结构等的特殊性，有些器件在实际应用场景中的在线特性往往和标称值有很大的差别，如多层陶瓷电容(MLCC)在直流电压偏置下，其实际电容值有较大的变化；电感在直流电流偏置下实际电感值有一定的变化，且在临近饱和状态有较大的突变。因此，如果在设计中不考虑这类元器件的在线特性，将严重影响电子产品设计的准确性、有效性和稳定性。
有些国际知名元器件生产厂家会给出部分产品的元器件的在线特性，例如Murata给出了多层陶瓷电容随着直流电压偏置的电容量变化特性，以X5R的4个多层陶瓷电容47uF(GRM32ER61C476KE15),4.7uF(GRM188R61C475KE11)、1uF(GRM188R61C105KA12)和0.1uF(GRM188R61C104-KA01)为例进行分析，如图1所示，可见，这些电容随着直流电压偏置的增加，电容值均有不同程度的减小，其中47uF电容在15V偏置下电容值降低了79％，降幅明显。然而，实际情况是，很多国际生产厂家以及几乎所有的国内生产厂家的元器件并未提供器件的在线特性信息，而业界也未见有相关的测量方法，从而使得设计者容易忽略或者过分考虑器件的在线特性，最终导致设计失效或者过设计。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法及测量装置，该方法基于非接触性的感性耦合测量技术，通过电流探针对待测元器件(DUT)进行非接触性测量，从而保证了在不影响DUT工作状态的前提下对其实施测量。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法，具体过程为：
步骤一，将VNA上的两个端口Port1、Port2分别通过同轴线缆连接注入探针、拾取探针，VNA上的端口Port3通过同轴线缆连接SMA连接器；
步骤二，串接导线一端接至SMA连接器的中间信号管脚，另一端接至SMA连接器的四个地管脚之一，构成预校准装置；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现预校准装置S参数测试；
步骤三，令VNA上的端口Port3开路，将串接导线、注入探针及拾取探针置于待测元器件电路环路中，构成测试装置；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现测试装置S参数测试；
步骤四，根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，拟合得出待测器件的在线特性。
进一步地，本发明所述步骤四的具体过程为：
首先，根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，计算待测元器件在线频域阻抗测试Zdut：
其中，Smn为预校准装置S参数中第m行第n列的元素，S^mn为测试装置S参数中第m行第n列的元素；
其次，根据所述测元器件在线频域阻抗测试Zdut，根据DUT的电气模型拟合出器件的在线特性。
一种多层陶瓷电容的直流电压偏置特性测量装置，包括直流电源DC、电感Ls、2个待测多层陶瓷电容Cdut、VNA及串接导线，其中两个待测多层陶瓷电容Cdut并联后的一端通过电感Ls连接直流电源DC，并联后的另一端直接连接直流电源DC，串接导线串接在两个待测多层陶瓷电容Cdut之间，VNA上的注入探针、拾取探针与所述串接导线耦合连接；
ZCdut＜＜ZLs+ZVRM (5)
其中，ZCdut和ZLs为待测多层陶瓷电容Cdut和电感Ls的频域阻抗，ZVRM为直流电源的频域阻抗。
一种电感的直流电压偏置特性测量装置，包括待测电感Ldut、直流电源DC、负载RL、电容C0、VNA及串接导线，电容C0连接在直流电源DC的两端、待测电感Ldut与负载RL串联后连接在直流电源DC的两端；串接导线串接在待测电感Ldut与负载RL之间，VNA上的注入探针、拾取探针与所述串接导线耦合连接；
这里，ZLdut和ZC0为待测电感Ldut和电容C0的频域阻抗，ZVRM为直流电源的频域阻抗。
有益效果：
本发明所提供的测量方法所实施的测量对DUT所在的电路工作状态及其DUT自身的工作状态影响可忽略，从而保证了测量的实效性和准确性。该测量方法为业界元器件的在线特性测量提供了一种简单、有效的手段，可为元器件的选型及使用提供真实、准确的参考，从而保证电子产品设计的准确性、有效性和稳定性。
附图说明
图1为4个X5R多层陶瓷电容随直流电压偏置电容量的变化曲线图。
图2为本发明所提供测量方法的原理示意图。
图3为电流探针预校准装置示意图。
图4为电流探针预校准装置的信号流图。
图5为本发明所提供方法的实际测量装置示意图。
图6为基于预校准参数表征的实际测量装置的信号流图。
图7为基于实际测量参数表征的实际测量装置的信号流图。
图8为多层陶瓷电容的直流电压偏置特性测量装置示意图。
图9为电感的直流电压偏置特性测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明原理如图2所示，两个电流探针通过线缆连接至矢量网络分析仪(VNA)的两个端口Port1和Port2，并通过与接入待测元器件DUT电路环路中的串接导线进行感性耦合实现信号的注入和拾取。测量的过程如下：在DUT工作状态下，VNA的端口1激励一个扫频小信号，并通过探针1(注入探针)注入到DUT电路环路中，然后通过探针2(拾取探针)对DUT电路环路中的小信号进行拾取，注入和拾取的信号关系以双端口散射(S)参数的形式由VNA测量得出。根据所得到的S参数，通过基于信号流图(Flow Graph)的算法可得到DUT的在线频域阻抗，最终可根据DUT的电气模型(如RLC模型)拟合得出器件的在线特性。
本发明所提供测量方法的关键在于预校准环节，其中同轴线缆可由VNA配套的校准套件进行校准，而两个电流探针需要设计特定的预校准装置如图3所示。VNA的三个端口分别通过同轴线缆1、同轴线缆2和同轴线缆3连接注入探针、拾取探针和SMA连接器；串接导线的一端接至SMA连接器的中间信号管脚，另外一端接至四个地管脚之一。上述预校准装置的端口输入和输出信号的信号流图(FlowGraph)如图4所示。其中，an和bn表示端口Portn的输入和输出信号，而Smn为VNA测得的S参数中第m行第n列的元素，这些S参数将作为预校准参数用于后续的数据处理。可见，虚线为Port1的输入信号a1和Port2的输出信号b2之间的唯一路径。
预校准完成后，实际测量装置如图5所示，将两个探针及串联导线置于DUT的电路环路中，并保持VNA的Port3开路。此时，该实际测量装置可由基于预校准S参数和基于实际测量S参数两种方式表征的信号流图进行表示。
方式A：基于预校准装置S参数表征的信号流图
基于预校准的S参数，实际测量装置的信号流图如图6所示。a^n和b^n则表示实际测量装置的端口输入和输出信号，Smn为预校准的S参数。此时，Port1的输入信号a^1和Port2的输出信号b^2之间的路径变为两条，如虚线所示，而两者的关系表示为：
其中，Γ为DUT相对于VNA端口特性阻抗(Z0＝50欧姆)的反射系数，计算为：
方式B：基于实际测量S参数表征的信号流图
基于实际测量S参数，实际测量装置的信号流图如图7所示。a^n和b^n则表示端口的输入和输出信号，而S^mn为测量装置条件下VNA实际测得的S参数，满足
b^2＝S^21*a^1(3)
根据公式(1)、(2)、(3)可得DUT的在线频域阻抗Zdut：
在得到DUT在线频域阻抗的基础上，最终可基于DUT的电气模型(如RLC模型)拟合得出器件的在线特性。
基于上述分析，本发明基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法，具体过程为：
步骤一，将VNA上的两个端口Port1、Port2分别通过同轴线缆连接注入探针、拾取探针，VNA上的端口Port3通过同轴线缆连接SMA连接器；
步骤二，串接导线一端接至SMA连接器的中间信号管脚，另一端接至SMA连接器的四个地管脚之一，构成预校准装置；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现预校准装置S参数测试；
步骤三，令VNA上的端口Port3开路，将串接导线、注入探针及拾取探针置于待测元器件电路环路中，构成测试装置；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现测试装置S参数测试；
步骤四，根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，拟合得出待测器件的在线特性；具体为：
首先，根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，计算待测元器件在线频域阻抗测试Zdut：
其中，Smn为预校准装置S参数中第m行第n列的元素，S^mn为测试装置S参数中第m行第n列的元素。
其次，根据所述测元器件在线频域阻抗测试Zdut，根据DUT的电器模型拟合出期间的在线特性。
由于待测DUT的电路环路中还可能存在其他多种器件影响，因此需要在保证DUT工作状态不被改变的前提下对电路环路进行特定的改进，即本发明提供的测量方法需针对不同DUT设计不同的测量装置。
本发明为元器件的在线特性测量提供了一种简单、有效的手段，以多层陶瓷电容的直流电压偏置特性测量和电感直流电流偏置特性测量为实施例进行说明。
实施例1.多层陶瓷电容的直流电压偏置特性测量
多层陶瓷电容的直流电压偏置特性测量装置如图8所示，其中Cdut为待测多层陶瓷电容；DC直流电源为电容提供不同的直流电压，Zvrm为直流电源的频域阻抗；电感Ls用于保证注入信号的电路环路与电源隔离(阻断)，电感值取足够大，使其满足：
ZCdut＜＜ZLs+ZVRM (5)
这里，ZCdut和ZLs为待测多层陶瓷电容Cdut和电感Ls的频域阻抗。
根据本发明提供的测量方法得到待测多层陶瓷电容Cdut的在线频域阻抗特性曲线，然后可基于电容的RLC模型拟合得出不同直流电压偏置下的电容值。
实施例2.电感直流电流偏置特性测量
电感的直流电压偏置特性测量装置如图9所示，其中Ldut为待测电感；DC直流电源和负载RL配合为Ldut提供不同的直流电流，Zvrm为直流电源的频域阻抗；电容C0用于保证注入信号的电路环路与电源隔离(旁路)，电容值取足够大，使其满足：
这里，ZLdut和ZC0为待测电感Ldut和电容C0的频域阻抗。
根据本发明提供的测量方法得到待测电感Ldut的在线频域阻抗特性曲线，然后可基于电感的RLC模型拟合得出不同直流电流偏置下的电感值。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法，其特征在于，具体过程为：
步骤一，将VNA上的两个端口Port1、Port2分别通过同轴线缆连接注入探针、拾取探针，VNA上的端口Port3通过同轴线缆连接SMA连接器；
步骤二，串接导线一端接至SMA连接器的中间信号管脚，另一端接至SMA连接器的四个地管脚之一，构成预校准装置；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现预校准装置S参数测试；
步骤三，令VNA上的端口Port3开路，将串接导线、注入探针及拾取探针置于待测元器件电路环路中，构成测试装置；通过注入探针、拾取探针与串接导线的感性耦合，实现测试装置S参数测试；
步骤四，根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，拟合得出待测器件的在线特性。
2.根据权利要求1所述基于感性耦合原理的元器件在线特性测量方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：
首先，根据预校准装置和测试装置所测得的S参数，计算待测元器件在线频域阻抗测试Zdut：
<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>31</mn> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mn>23</mn> </msub> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>33</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <msup> <mi>S</mi> <mo>^</mo> </msup> <mn>21</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>21</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>31</mn> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mn>23</mn> </msub> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>33</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <msup> <mi>S</mi> <mo>^</mo> </msup> <mn>21</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>21</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Smn为预校准装置S参数中第m行第n列的元素，S^mn为测试装置S参数中第m行第n列的元素；
其次，根据所述测元器件在线频域阻抗测试Zdut，根据DUT的电器模型拟合出期间的在线特性。
3.一种多层陶瓷电容的直流电压偏置特性测量装置，其特征在于，包括直流电源DC、电感Ls、2个待测多层陶瓷电容Cdut、VNA及串接导线，其中两个待测多层陶瓷电容Cdut并联后的一端通过电感Ls连接直流电源DC，并联后的另一端直接连接直流电源DC，串接导线串接在两个待测多层陶瓷电容Cdut之间，VNA上的注入探针、拾取探针与所述串接导线耦合连接；
ZCdut＜＜ZLs+ZVRM (5)
其中，ZCdut和ZLs为待测多层陶瓷电容Cdut和电感Ls的频域阻抗，ZVRM为直流电源的频域阻抗。
4.一种电感的直流电压偏置特性测量装置，其特征在于，包括待测电感Ldut、直流电源DC、负载RL、电容C0、VNA及串接导线，电容C0连接在直流电源DC的两端、待测电感Ldut与负载RL串联后连接在直流电源DC的两端；串接导线串接在待测电感Ldut与负载RL之间，VNA上的注入探针、拾取探针与所述串接导线耦合连接；
<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>d</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>&gt;</mo> <mo>&gt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>V</mi> <mi>R</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>V</mi> <mi>R</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
这里，ZLdut和ZC0为待测电感Ldut和电容C0的频域阻抗，ZVRM为直流电源的频域阻抗。
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