DE102018200013B3

DE102018200013B3 - Verfahren und Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit einer Gleichspannung

Info

Publication number: DE102018200013B3
Application number: DE102018200013.1A
Authority: DE
Inventors: Günther Klenner; Joanne Wu
Original assignee: Wuerth Elektronik Eisos GmbH and Co KG
Current assignee: Wuerth Elektronik Eisos GmbH and Co KG
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2038-01-03

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der frequenzabhängigen Impedanz eines kapazitiven Bauelements (11, 12) in Abhängigkeit einer Gleichspannung (U_DC) wird eine Messschaltung (6) mit einem ersten zu vermessenden kapazitiven Bauelement (11) und einem zweiten zu vermessenden kapazitiven Bauelement (12) sowie mit einem Entkopplungselement (13) bereitgestellt. Eine Gleichspannungsquelle (2) wird derart angeschlossen, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) relativ zu der Gleichspannungsquelle (2) parallel geschaltet sind. Ein Impedanzmessgerät (3) wird derart angeschlossen, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) relativ zu dem Impedanzmessgerät (3) seriell geschaltet sind und die Gleichspannungsquelle (2) durch das Entkopplungselement (13) von dem Impedanzmessgerät (3) entkoppelt ist. Aus Sicht des Impedanzmessgeräts (3) liegt eine Reihenschaltung der kapazitiven Bauelemente (11, 12) vor. Aus Sicht der Gleichspannungsquelle (2) liegt eine Parallelschaltung der kapazitiven Bauelemente (11, 12) vor, sodass an diesen die Gleichspannung (U_DC) anliegt. Zugleich werden die kapazitiven Bauelemente (11, 12) mit einem sinusförmigen Messsignal (U) beaufschlagt und mittels des Impedanzmessgeräts (3) eine Schaltungsimpedanz gemessen. Die Impedanz der kapazitiven Bauelemente (11, 12) ist einfach und genau aus der Schaltungsimpedanz ermittelbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit einer Gleichspannung.
Kapazitive Bauelemente, wie beispielsweise Kondensatoren, haben eine von der Frequenz abhängige Impedanz. Bei der Auslegung von elektrischen Schaltungen wird ein kapazitives Bauelement entsprechend der in einem Datenblatt angegebenen Impedanz ausgewählt. Die Impedanz von kapazitiven Bauelementen kann jedoch auch von einer Gleichspannung (DC-Bias) abhängig sein, die in einer Schaltung an dem kapazitiven Bauelement anliegt. Dies führt dazu, dass ein ausgewähltes kapazitives Bauelement sich in der ausgelegten Schaltung anders verhält, als dies nach der auf dem Datenblatt angegebenen Impedanz zu erwarten ist. Hierdurch wird die Schaltungsauslegung aufwändig und kompliziert.
Aus dem Fachartikel von M.P.J. Tiggelman et al., „Reducing AC impedance measurement errors caused by the DC voltage dependence of broadband high-voltage bias-tees“, Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, S. 200-205, ist ein Verfahren und eine Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz eines zu vermessenden Kondensators in Abhängigkeit einer Gleichspannung bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und genaues Verfahren zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit einer Gleichspannung zu schaffen. Insbesondere soll eine Impedanz der zu vermessenden kapazitiven Bauelemente ermittelt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfmdungsgemäß werden zwei gleichartige kapazitive Bauelemente gleichzeitig im Zwillingsprinzip vermessen. Die kapazitiven Bauelemente sind insbesondere Kondensatoren. Die zu vermessenden kapazitiven Bauelemente werden auch als Device-Under-Test (DUT) bezeichnet. Die Messschaltung bildet zusammen mit der Gleichspannungsquelle und dem Impedanzmessgerät eine Messanordnung. Die Messanordnung ist derart aufgebaut, dass die Gleichspannungsquelle - in einer Ersatzschaltung betrachtet - jeweils parallel zu den kapazitiven Bauelementen geschaltet ist und die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung im Wesentlichen an jedem der kapazitiven Bauelemente anliegt, da die Impedanz bzw. der ohmsche Widerstand des Entkopplungselements und gegebenenfalls auch die Impedanz bzw. der ohmsche Widerstand eines Kopplungselements gegenüber den Impedanzen der kapazitiven Bauelemente vernachlässigbar ist. Weiterhin ist die Messanordnung derart aufgebaut, dass für das Impedanzmessgerät - in einer Ersatzschaltung betrachtet - die zu vermessenden kapazitiven Bauelemente in Reihe bzw. seriell geschaltet sind, da die Impedanz bzw. der ohmsche Widerstand des Entkopplungselements und gegebenenfalls auch die Impedanz bzw. der ohmsche Widerstand eines Kopplungselements für das sinusförmige Messsignal im Vergleich zu den Impedanzen der kapazitiven Bauelemente hoch ist. Das Impedanzmessgerät misst somit eine Schaltungsimpedanz, die sich aus der Reihenschaltung der zu vermessenden kapazitiven Bauelemente ergibt und von der Gleichspannung abhängig ist, die mittels der Gleichspannungsquelle an das jeweilige kapazitive Bauelement angelegt wird. Aufgrund der Reihenschaltung ergibt sich die zu ermittelnde Impedanz der kapazitiven Bauelemente bzw. des jeweiligen kapazitiven Bauelements in einfacher Weise aus der Schaltungsimpedanz. Die zu ermittelnde Impedanz ergibt sich als anteilige bzw. halbe Schaltungsimpedanz. Das Ermitteln der Impedanz der kapazitiven Bauelemente aus der gemessenen Schaltungsimpedanz ist somit abhängig von der Messschaltung einfach möglich.
Die zu vermessenden kapazitiven Bauelemente verändern sich in einem zu vermessenden Frequenzbereich und in einem zu vermessenden Gleichspannungsbereich in ihrer Impedanz. Die zu vermessenden kapazitiven Bauelemente sind für die Gleichspannung hochohmig und wirken für die Gleichspannung insbesondere als Leerlauf. Die kapazitiven Bauelemente sind gleichartig. Das bedeutet, dass die elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Bauelemente im zu vermessenden Frequenzbereich und im zu vermessenden Gleichspannungsbereich weniger variieren als eine gewünschte Ermittlungsgenauigkeit der Impedanz. Die kapazitiven Bauelemente stammen insbesondere aus derselben Fertigungscharge bzw. demselben Produktionslos. Das Impedanzmessgerät ist beispielsweise als Netzwerkanalysator (VNA: Vector Network Analyser) ausgebildet.
Das erste kapazitive Bauelement und/oder das zweite kapazitive Bauelement ist ein kapazitives Bauteil und/oder eine Schaltung, die ein kapazitives Bauteil umfasst. Die Schaltung umfasst insbesondere eine Reihenschaltung und/oder eine Parallelschaltung, die kapazitive Bauteile aufweist. Beispielsweise ist das erste kapazitive Bauelement und/oder das zweite kapazitive Bauelement ein einzelnes kapazitives Bauteil und/oder eine Reihenschaltung und/oder eine Parallelschaltung aus kapazitiven Bauteilen. Die kapazitiven Bauteile sind vorzugsweise gleichartig ausgebildet. Das jeweilige kapazitive Bauteil ist vorzugsweise als Kondensator ausgebildet.
Das Entkopplungselement wirkt in dem zu vermessenden Frequenzbereich und/oder dem zu vermessenden Gleichspannungsbereich hochimpedant. Das Entkopplungselement ist ein ohmscher Widerstand oder eine Spule oder eine Schaltung, die mindestens einen ohmschen Widerstand und/oder mindestens eine Spule umfasst. Vorzugsweise ist das Entkopplungselement ein ohmscher Widerstand oder eine Spule. Beispielsweise ist das Entkopplungselement eine Parallelschaltung und/oder eine Reihenschaltung, die mindestens einen ohmschen Widerstand und/oder mindestens eine Spule umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz in Abhängigkeit der Gleichspannung. An den zu vermessenden kapazitiven Bauelementen liegt jeweils die Gleichspannung an. Da die kapazitiven Bauelemente einen Fluss von Gleichstrom im Wesentlichen nicht ermöglichen, ist die Impedanz bzw. der ohmsche Widerstand des Entkopplungselements gegenüber der Impedanz bzw. dem ohmschen Widerstand der kapazitiven Bauelemente vernachlässigbar. Das zweite kapazitive Bauelement ist mittels eines Kopplungselements mit dem Referenzknoten verbunden. Das Kopplungselement ist in das Impedanzmessgerät integriert und/oder ein Teil der Messschaltung. Durch das Kopplungselement wird das zweite kapazitive Bauelement mit dem definierten Potenzial des Referenzknotens verbunden. Die Impedanz bzw. der ohmsche Widerstand des Kopplungselements ist im Vergleich zu der Impedanz bzw. dem ohmschen Widerstand der kapazitiven Bauelemente vernachlässigbar, sodass an dem zweiten kapazitiven Bauelement annähernd die Gleichspannung anliegt, die auch an dem ersten kapazitiven Bauelement anliegt. Das Kopplungselement ist ein ohmscher Widerstand oder eine Spule oder eine Schaltung, die mindestens einen ohmschen Widerstand und/oder mindestens eine Spule umfasst. Vorzugsweise ist das Kopplungselement ein ohmscher Widerstand oder eine Spule. Beispielsweise ist das Kopplungselement eine Parallelschaltung und/oder eine Reihenschaltung, die mindestens einen ohmschen Widerstand und/oder mindestens eine Spule umfasst. Aus Sicht der Gleichspannungsquelle ist das Entkopplungselement und/oder das Kopplungselement im Vergleich zu den zu vermessenden kapazitiven Bauelementen niederimpedant bzw. niederohmig, wohingegen das Entkopplungselement und/oder das Kopplungselement aus Sicht des Impedanzmessgeräts im Vergleich zu den kapazitiven Bauelementen hochimpedant bzw. hochohmig ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass das Kopplungselement ein Teil der Messschaltung ist, ist dieses unabhängig von dem Impedanzmessgerät auswählbar und auf die zu vermessenden kapazitiven Bauelemente anpassbar.
Ein Verfahren nach Anspruch 4 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Das Kopplungselement ist mit dem zweiten Knoten und dem Referenzknoten verbunden, sodass das zweite kapazitive Bauelement mit dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten verbunden ist. Das Impedanzmessgerät ist mit dem zweiten Knoten und dem Referenzknoten verbunden.
Ein Verfahren nach Anspruch 5 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Das Entkopplungselement ist aus Sicht des Impedanzmessgeräts hochimpedant bzw. hochohmig, sodass die Gleichspannungsquelle und das Impedanzmessgerät voneinander entkoppelt sind. Das Entkopplungselement verhindert also einen durch das Impedanzmessgerät verursachten Stromfluss über die Gleichspannungsquelle. Vorzugsweise ist das Entkopplungselement ein ohmscher Widerstand oder eine Schaltung aus ohmschen Widerständen. Hierdurch wird eine Resonanz mit den zu vermessenden kapazitiven Bauelementen einfach und wirkungsvoll vermieden.
Ein Verfahren nach Anspruch 6 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Über das Kopplungselement ist das zweite kapazitive Bauelement mit einem definierten Potenzial verbunden. Das Kopplungselement ermöglicht insbesondere den Fluss von durch die Gleichspannungsquelle verursachten parasitären Gleichströmen. Vorzugsweise ist das Kopplungselement ein ohmscher Widerstand oder eine Schaltung aus ohmschen Widerständen. Hierdurch wird eine Resonanz mit den zu vermessenden kapazitiven Bauelementen einfach und wirkungsvoll vermieden.
Ein Verfahren nach Anspruch 7 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Impedanz. Die gewünschte Ermittlungsgenauigkeit ist umso höher, je weniger die elektrischen Eigenschaften der zu vermessenden Bauelemente in dem zu vermessenden Frequenzbereich und in dem zu vermessenden Gleichspannungsbereich zueinander variieren. Für ein Verhältnis einer ersten Kapazität C₁ des ersten kapazitiven Bauelements zu einer zweiten Kapazität C₂ des zweiten kapazitiven Bauelements gilt in dem Frequenzbereich und in dem Gleichspannungsbereich vorzugsweise: 0,8 ≤ C₁/C₂ ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ C₁/C₂ ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ C₁/C₂ ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: C₁/C₂ = 1, also C₁ = C₂ = C. Weiterhin gilt für ein Verhältnis eines ersten ohmschen Widerstands R_C1 des ersten kapazitiven Bauelements zu einem zweiten ohmschen Widerstand R_C2 des zweiten kapazitiven Bauelements in dem Frequenzbereich und in dem Gleichspannungsbereich vorzugsweise: 0,8 ≤ R_C1/R_C2 ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ R_C1/R_C2 ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ R_C1/R_C2 ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: R_C1/R_C2 = 1, also R_C1 = R_C2 = R.
Ein Verfahren nach Anspruch 8 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz in einem gewünschten Gleichspannungsbereich. Vorzugsweise wird die Gleichspannung in dem Gleichspannungsbereich mit einer Schrittweite Δu_DC variiert.
Ein Verfahren nach Anspruch 9 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz in einem gewünschten Frequenzbereich. Die Messfrequenz wird in dem Frequenzbereich, insbesondere mit einer Schrittweite Δf oder einem Schrittverhältnis f_i/f_i+1, wobei f_i und f_i+1 aufeinanderfolgende Messfrequenzen bezeichnet, variiert.
Ein Verfahren nach Anspruch 10 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass das Entkopplungselement bei der jeweiligen Messfrequenz eine Impedanz hat, die wesentlich größer als die zu ermittelnde Impedanz ist, wird die Messung der Schaltungsimpedanz und somit die Ermittlung der Impedanz im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Aus Sicht des Impedanzmessgeräts liegt eine Reihenschaltung der kapazitiven Bauelemente vor. Es gilt insbesondere, dass 20 ≤ |Z_E|/|Z_C| ≤ 1000, und insbesondere 50 ≤ |Z_E|/|Z_C| ≤ 500.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass das Kopplungselement bei der jeweiligen Messfrequenz eine Impedanz hat, die wesentlich größer als die zu ermittelnde Impedanz ist, wird die Messung der Schaltungsimpedanz und somit die Ermittlung der Impedanz im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Aus Sicht des Impedanzmessgeräts liegt eine Reihenschaltung der kapazitiven Bauelemente vor. Es gilt insbesondere, dass 20 ≤ |Z_K|/|Z_C| ≤ 1000, und insbesondere 50 ≤ |Z_K|/|Z_C| ≤ 500.
Ein Verfahren nach Anspruch 12 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Die Kalibrierung ist abhängig von dem Impedanzmessgerät und eliminiert Abweichungen bzw. Messfehler aufgrund der Messanordnung. Vorzugsweise werden mindestens drei Kalibriermessungen mit einer entsprechenden Anzahl an Kalibrier-Messschaltungen durchgeführt. Vorzugsweise wird eine OSM-Kalibrierung (Open Short Match) durchgeführt. Bei der OSM-Kalibrierung werden drei Kalibriermessungen durchgeführt. Bei einer ersten Kalibriermessung werden anstelle der kapazitiven Bauelemente Kalibrier-Widerstände verwendet, die einem Leerlauf entsprechen (O: Open). Beispielsweise werden hochohmige Kalibrier-Widerstände R₁ = R₂ = 1 MΩ verwendet. Bei einer zweiten Kalibriermessung werden anstelle der kapazitiven Bauelemente Kalibrier-Widerstände verwendet, die einem Kurzschluss entsprechen (S: Short). Beispielsweise werden Kalibrier-Widerstände R₁ = R₂ = 0 Ω verwendet. Bei einer dritten Kalibriermessung werden anstelle der kapazitiven Bauelemente Kalibrier-Widerstände mit einem bestimmten Widerstandswert verwendet (M: Match). Die Kalibrier-Widerstände betragen beispielsweise R₁ = R₂ = 25 Ω. Die Kalibrier-Widerstände jeder Kalibrier-Messschaltung sind baugleich. Dadurch kompensieren sich parasitäre Effekte, die sich aus der Bauform ergeben.
Ein Verfahren nach Anspruch 13 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung der Messschaltung entspricht, wird gewährleistet, dass Abweichungen bzw. Messfehler aufgrund der Messanordnung eliminiert werden. Die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung unterscheidet sich von der Messschaltung lediglich dadurch, dass anstelle der zu vermessenden kapazitiven Bauelemente ohmsche Kalibrier-Widerstände verwendet werden. Die Kalibrier-Widerstände sind vorzugsweise als Leerlauf (O: Open), Kurzschluss (S: Short) und als vordefinierter Widerstandswert (M: Match) ausgebildet.
Ein Verfahren nach Anspruch 14 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Die Kalibrier-Widerstände und das Kalibrier-Entkopplungselement bilden eine Kalibrier-Messschaltung aus, die entsprechend der Messschaltung aufgebaut ist. Vorzugsweise weist die Kalibrier-Messschaltung ein Kalibrier-Kopplungselement auf, das entsprechend der Messschaltung mit einem zweiten Knoten und dem Referenzknoten verbunden ist. Die Kalibrier-Messschaltung ist insbesondere auf einer Kalibrier-Platine ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung mit einer Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar ist. Das Impedanzmessgerät und die Gleichspannungsquelle sind vorzugsweise mit der Grund-Platine elektrisch verbindbar. Vorzugsweise sind mehrere Kalibrier-Messschaltungen vorgesehen, die unterschiedliche Kalibrier-Widerstände haben. Vorzugsweise dienen die Kalibrier-Messschaltungen für eine OSM-Kalibrierung.
Ein Verfahren nach Anspruch 15 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die Kalibrierung mittels mindestens einer Prüf-Messschaltung überprüft wird, wird gewährleistet, dass die Messung der Schaltungsimpedanz und somit die Ermittlung der Impedanz nur mit einer ausreichend exakten Kalibrierung des Impedanzmessgeräts durchgeführt wird. Die mindestens eine Prüf-Messschaltung ist entsprechend der mindestens einen Kalibrier-Messschaltung aufgebaut, wobei anstelle der Kalibrier-Widerstände abweichende Prüf-Widerstände verwendet werden. Erfüllt die Kalibrierung die gewünschten Genauigkeitsanforderungen, so liegen die gemessenen Prüf-Widerstände innerhalb eines Toleranzbereiches zu einer Realteil-Achse in einem Smith-Diagramm. Liegen die gemessenen Prüf-Widerstände nicht innerhalb des Toleranzbereiches, so erfüllt die Kalibrierung nicht die gewünschten Genauigkeitsanforderungen. In diesem Fall müssen die Kontakte überprüft werden und die Kalibrierung muss anschließend wiederholt werden. Vorzugsweise werden mehrere Prüfmessungen mit mehreren Prüf-Messschaltungen und unterschiedlichen Prüf-Widerständen durchgeführt. Als Prüf-Widerstände werden beispielsweise die ohmschen Widerstände R₁' = R₂' = 2,5 Ω und R₁' = R₂' = 250 Ω verwendet. Die Prüf-Widerstände jeder Prüf-Messschaltung sind baugleich.
Ein Verfahren nach Anspruch 16 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die mindestens eine Prüf-Messschaltung entsprechend der Messschaltung und entsprechend der mindestens einen Kalibrier-Messschaltung aufgebaut ist, erfolgt eine genaue Überprüfung der Kalibrierung. Die mindestens eine Prüf-Messschaltung unterscheidet sich von der Messschaltung lediglich dadurch, dass die kapazitiven Bauelemente durch ohmsche Prüf-Widerstände ersetzt sind. Weiterhin unterscheidet sich die mindestens eine Prüf-Messschaltung von der mindestens einen Kalibrier-Messschaltung lediglich dadurch, dass sich die Prüf-Widerstände im Widerstandswert von den Kalibrier-Widerständen unterscheiden. Beispielsweise werden als Prüf-Widerstände R₁' = R₂' = 2,5 Ω und R₁' = R₂' = 250 Ω verwendet.
Ein Verfahren nach Anspruch 17 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Die Prüf-Widerstände und das Prüf-Entkopplungselement bilden eine Prüf-Messschaltung aus. Vorzugsweise weist die Prüf-Messschaltung entsprechend der Messschaltung ein Prüf-Kopplungselement auf, das mit einem zweiten Knoten und dem Referenzknoten verbunden ist. Die Prüf-Widerstände sind baugleich. Das Prüf-Entkopplungselement entspricht vorzugsweise dem Entkopplungselement der Messschaltung. Das Prüf-Kopplungselement entspricht vorzugsweise dem Kopplungselement der Messschaltung. Vorzugsweise werden mehrere Prüfmessungen mit mehreren Prüf-Messschaltungen durchgeführt, die unterschiedliche Prüf-Widerstände haben. Die jeweilige Prüf-Messschaltung ist vorzugsweise auf einer Prüf-Platine ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung mit einer Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar ist. Das Impedanzmessgerät und die Gleichspannungsquelle sind vorzugsweise mit der Grund-Platine elektrisch verbindbar.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zu schaffen, die eine einfache und genaue Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit einer Gleichspannung ermöglicht. Insbesondere soll eine Impedanz der zu vermessenden kapazitiven Bauelemente ermittelt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die Vorteile der erfmdungsgemäßen Messanordnung entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen des erfmdungsgemäßen Verfahrens. Die Messanordnung kann insbesondere auch mit den Merkmalen mindestens eines der Ansprüche 1 bis 17 weitergebildet werden. Vorzugsweise weist das Impedanzmessgerät und/oder die Messschaltung ein Kopplungselement auf. Das Kopplungselement verbindet insbesondere das zweite kapazitive Bauelement mit einem definierten Potenzial bzw. einem Referenzpotenzial.
Eine Messanordnung nach Anspruch 19 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass das Kopplungselement Teil der Messschaltung ist, ist dieses unabhängig von dem Impedanzmessgerät auswählbar und an die zu vermessenden kapazitiven Bauelemente anpassbar.
Eine Messanordnung nach Anspruch 20 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Durch den modularen Aufbau der Messanordnung ist die Mess-Platine mit der Messschaltung in einfacher Weise mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar sowie trennbar. Hierdurch können mehrere auf Mess-Platinen ausgebildete Messschaltungen nacheinander über die Steckkontaktverbindung mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbunden und die jeweilige Impedanz der kapazitiven Bauelemente der Messschaltung ermittelt werden. Hierdurch können in kurzer Zeit die Impedanzen einer Vielzahl von zu vermessenden kapazitiven Bauelementen ermittelt werden. Durch eine anschließende Mittelwertbildung kann in einfacher und zuverlässiger Weise eine genaue Impedanz der kapazitiven Bauelemente ermittelt werden.
In entsprechender Weise ist die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung auf einer Kalibrier-Platine und/oder die mindestens eine Prüf-Messschaltung auf einer Prüf-Platine ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar ist bzw. verbindbar sind. Hierdurch können die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung und/oder die mindestens eine Prüf-Messschaltung und/oder die mindestens eine Messschaltung in einfacher Weise vermessen werden, indem die mindestens eine Kalibrier-Platine und/oder die mindestens eine Prüf-Platine und/oder die mindestens eine Mess-Platine mittels der Steckkontaktverbindung mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbunden bzw. getrennt werden. Die Platinen sind insbesondere aus einem Nutzen hergestellt. Hierdurch werden Messfehler infolge von unterschiedlichen Platineneigenschaften vermieden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiel. Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz eines kapazitiven Bauelements in Abhängigkeit einer Gleichspannung,
2 ein Schaltbild der Messanordnung in 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Messschaltung, die zwei zu vermessende kapazitive Bauelemente umfasst,
3 ein erstes Ersatzschaltbild der Messanordnung in 2 in Bezug auf eine Gleichspannungsquelle,
4 ein zweites Ersatzschaltbild der Messanordnung in 2 in Bezug auf ein Impedanzmessgerät,
5 ein Schaltbild einer Kalibrier-Messschaltung zu der Messanordnung in 2,
6 ein Schaltbild einer Prüf-Messschaltung zu der Messanordnung in 2,
7 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Ermittlung einer Impedanz der kapazitiven Bauelemente,
8 ein Smith-Diagramm zur Veranschaulichung einer Kalibrierung des Impedanzmessgeräts und einer Überprüfung der Kalibrierung,
9 ein Realteil der ermittelten Impedanz in Abhängigkeit einer Messfrequenz und einer Gleichspannung,
10 ein Imaginärteil der ermittelten Impedanz in Abhängigkeit der Messfrequenz und der Gleichspannung, und
11 ein Schaltbild der Messanordnung in 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Nachfolgend ist anhand der 1 bis 10 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine Messanordnung 1 umfasst eine Gleichspannungsquelle 2, ein Impedanzmessgerät 3, eine Grund-Platine 4 und eine Mess-Platine 5. Auf der Mess-Platine 5 ist eine Messschaltung 6 ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung 7 mechanisch mit der Grund-Platine 4 und elektrisch mit auf der Grund-Platine 4 ausgebildeten Anschlüssen 8, 8' und 9, 9' verbunden ist. Die ersten Anschlüsse 8, 8' dienen zum Anschließen der Gleichspannungsquelle 2 an die Messschaltung 6, wohingegen die zweiten Anschlüsse 9, 9' zum Anschließen des Impedanzmessgeräts 3 an die Messschaltung 6 dienen. Die Kontaktierung der Anschlüsse 8, 8' und 9, 9' mit der Messschaltung 6 erfolgt über die Steckkontaktverbindung 7. Die Messanordnung 1 umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung 10, die an das Impedanzmessgerät 3 angeschlossen ist. Die Auswerteeinrichtung 10 ist beispielsweise ein PC.
Die Messschaltung 6 umfasst ein erstes zu vermessendes kapazitives Bauelement 11 und ein zweites zu vermessendes kapazitives Bauelement 12. Die kapazitiven Bauelemente 11, 12 sind als einzelne kapazitive Bauteile, insbesondere als Kondensatoren ausgebildet. Das erste kapazitive Bauelement 11 ist mit einem Referenzknoten K₀ und einem ersten Knoten K₁ verbunden. Das zweite kapazitive Bauelement 12 ist mit dem ersten Knoten K₁ und einem zweiten Koten K₂ verbunden. Zum Entkoppeln der Gleichspannungsquelle 2 von dem Impedanzmessgerät 3 umfasst die Messschaltung 6 ein Entkopplungselement 13. Das Entkopplungselement 13 ist mit dem ersten Knoten K₁ und dem ersten Anschluss 8 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 2 ist über den Anschluss 8 und das Entkopplungselement 13 mit dem ersten Knoten K₁ und über den Anschluss 8' mit dem Referenzknoten K₀ verbunden. Zum Koppeln des zweiten kapazitiven Bauelements 12 mit einem definierten Potenzial weist die Messschaltung 6 ein Kopplungselement 14 auf. Das Kopplungselement 14 ist mit dem zweiten Knoten K₂ und dem Referenzknoten K₀ verbunden. Das Impedanzmessgerät 3 ist über die Anschlüsse 9, 9' mit dem zweiten Knoten K₂ und dem Referenzknoten K₀ verbunden. Das Impedanzmessgerät 3 ist als Netzwerkanalysator ausgebildet (VNA: Vector Network Analyser). Das Entkopplungselement 13 und das Kopplungselement 14 sind als ohmsche Widerstände ausgebildet.
Die Gleichspannungsquelle 2 ist derart ausgebildet, dass eine Gleichspannung U_DC einstellbar und in einem Gleichspannungsbereich ΔU_DC mit einer gewünschten Schrittweite Δu_DC variierbar ist. Für den Gleichspannungsbereich ΔU_DC gilt vorzugsweise:

0 V ≤ ΔU_DC ≤ 10 V und/oder 10 V ≤ ΔU_DC ≤ 200 V und/oder 200 V ≤ ΔU_DC ≤ 5000 V.

Das Impedanzmessgerät 3 ist derart ausgebildet, dass ein sinusförmiges Messsignal in Form einer Messspannung U mit einer Messfrequenz f einstellbar und in einem Frequenzbereich ΔF mit einer gewünschten Schrittweite Δf oder einem Schrittverhältnis f_i/f_i+1 einstellbar ist, wobei f_i und f_i+1 aufeinanderfolgende Messfrequenzen bezeichnet. Für den Frequenzbereich ΔF gilt insbesondere:

1 MHz ≤ ΔF ≤ 3 GHz und/oder 3 GHz ≤ ΔF ≤ 8 GHz und/oder 8 GHz ≤ ΔF ≤ 20 GHz.

Die kapazitiven Bauelemente 11, 12 sind gleichartig bzw. baugleich. Das erste kapazitive Bauelement 11 weist eine erste Impedanz Z_C1 auf, wobei gilt: $Z_{C 1} = R_{C 1} + j X_{C 1} = R_{C 1} - j \frac{1}{ω C_{1}}$
wobei Z_C1 die komplexe Impedanz, R_C1 der ohmsche Widerstand, X_C1 die kapazitive Reaktanz bzw. der kapazitive Blindwiderstand und C₁ die Kapazität des ersten kapazitiven Bauelements 11 ist. j ist die imaginäre Einheit. ω bezeichnet die Kreisfrequenz, wobei ω = 2 πf gilt. π ist die Kreiszahl und f bezeichnet die Messfrequenz.
Das zweite kapazitive Bauelement 12 weist eine zweite Impedanz Z_C2 auf, wobei gilt: $Z_{C 2} = R_{C 2} + j X_{C 2} = R_{C 2} - j \frac{1}{ω C_{2}}$
wobei Z_C2 die komplexe Impedanz, R_C2 der ohmsche Widerstand, X_C2 die kapazitive Reaktanz bzw. der kapazitive Blindwiderstand und C₂ die Kapazität des zweiten kapazitiven Bauelements 12 ist.
Für die baugleichen kapazitiven Bauelemente 11, 12 gilt:

0,8 ≤ R_C1/R_C2 ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ R_C1/R_C2 ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ R_C1/R_C2 ≤ 1,05

0,8 ≤ C₁/C₂ ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ C₁/C₂ ≤ 1,1 und insbesondere 0,95 ≤ C₁/C₂ ≤ 1,05.

Vorzugsweise gilt: R_C1 = R_C2= R_C und X_C1 = XC₂ = X_C bzw. C₁ = C₂ = C, sodass sich die Gleichungen (1) und (2) vereinfachen zu: $Z_{C} = R_{C} + j X_{C} = R_{C} - j \frac{1}{ω C}$
Die angegebenen Bereiche für R_C1/R_C2 und/oder X_C1/X_C2 gelten in dem gewünschten Frequenzbereich ΔF und dem gewünschten Gleichspannungsbereich ΔU_DC . Vorzugsweise stammen die kapazitiven Bauelemente 11, 12 aus derselben Fertigungscharge bzw. demselben Produktionslos. Die elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Bauelemente 11, 12, insbesondere R_C1/R_C2 und/oder X_C1/X_C2, bestimmen im zu vermessenden Frequenzbereich ΔF und im zu vermessenden Gleichspannungsbereich ΔU_DC die Ermittlungs- bzw. Ergebnisgenauigkeit. Bei einer definierten gewünschten Ermittlungsgenauigkeit muss dementsprechend sichergestellt sein, dass die elektrischen Eigenschaften im zu vermessenden Frequenzbereich ΔF und im zu vermessenden Gleichspannungsbereich ΔU_DC weniger variieren als die gewünschte Ermittlungsgenauigkeit.
Aufgrund der Ausbildung als ohmscher Widerstand gilt für eine Impedanz Z_E des Entkopplungselements 13: $Z_{E} = R_{E}$
Aufgrund der Ausbildung als ohmscher Widerstand gilt weiterhin für eine Impedanz Z_K des Kopplungselements 14: $Z_{K} = R_{K}$
Vorzugsweise gilt für einen Impedanzbetrag |Z_E| des Entkopplungselements 13 im Verhältnis zu einem Impedanzbetrag |Z_K| des Kopplungselements 14, insbesondere in dem Frequenzbereich ΔF und dem Gleichspannungsbereich ΔU_DC: 1 ≤ |Z_E|/|Z_K| ≤ 1000, insbesondere 5 ≤ |Z_E|/|Z_K| ≤ 500, und insbesondere 10 ≤ |Z_E|/|Z_K| ≤ 100.
Hierdurch wird sowohl der Einfluss der Gleichspannung U_DC auf das Impedanzmessgerät 3 als auch die Wartezeit zwischen Messungen mit unterschiedlichen Gleichspannungen U_DC optimiert. Beispielsweise gilt: 100 kΩ ≤ R_E ≤ 1 MΩ und R_K = 10 kΩ.
Vorzugsweise hat das Impedanzmessgerät 3 eine Impedanz Z₀, wobei für einen Impedanzbetrag |Z_K| des Kopplunselements 14 im Verhältnis zu einem Impedanzbetrag |Z₀| des Impedanzmessgeräts 3 insbesondere in dem Frequenzbereich ΔF und in dem Gleichspannungsbereich ΔU_DC gilt: 1 ≤ |Z_K|/|Z₀| ≤ 1000, insbesondere 5 ≤ |Z_K|/|Z₀| ≤ 500, und insbesondere 10 ≤ |Z_K|/|Z₀| ≤ 100.
Für die Gleichspannungsquelle 2 stellen die kapazitiven Bauelemente 11, 12 einen Leerlauf bzw. eine Unterbrechung dar. Das bedeutet, dass der ohmsche Widerstand R_E des Entkopplungselements 13 und der ohmsche Widerstand R_K des Kopplungselements 14 gegenüber den Impedanzen Z_C1 und Z_C2 vernachlässigbar sind. Das Ersatzschaltbild aus Sicht der Gleichspannungsquelle 2 ist in 3 veranschaulicht. Die kapazitiven Bauelemente 11, 12 sind für die Gleichspannungsquelle 2 parallel geschaltet. Die vernachlässigbaren ohmschen Widerstände R_E und R_K sind in 3 gestrichelt eingezeichnet.
Das Ersatzschaltbild aus Sicht des Impedanzmessgeräts 3 ist in 4 veranschaulicht. Die ohmschen Widerstände R_E und R_K sind in dem Frequenzbereich ΔF wesentlich größer als die Impedanzen Z_C1 und Z_C2 der kapazitiven Bauelemente 11, 12. Das bedeutet, dass die ohmschen Widerstände R_E und R_K in dem Frequenzbereich ΔF als Unterbrechung bzw. Leerlauf wirken, sodass für das Impedanzmessgerät 3 die Impedanzen Z_C1 und Z_C2 seriell, also in Reihe geschaltet sind. Die als Unterbrechung wirkenden ohmschen Widerstände R_E und R_K sind in dem Ersatzschaltbild in 4 gestrichelt eingezeichnet.
Für einen Impedanzbetrag |Z_E| des Entkopplungselements 13 gilt im Verhältnis zu einem Impedanzbetrag |Z_C| der jeweiligen Impedanz Z_C1 bzw. Z_C2 , insbesondere in dem Frequenzbereich ΔF und dem Gleichspannungsbereich ΔU_DC: 10 ≤ |Z_E|/|Z_C| ≤ 10000, insbesondere 20 ≤ |Z_E|/|Z_C| ≤ 1000, und insbesondere 50 ≤ |Z_E|/|Z_C| ≤ 500.
Für einen Impedanzbetrag |Z_K| des Kopplungselements 14 gilt im Verhältnis zu einem Impedanzbetrag |Z_C| der jeweiligen Impedanz Z_C1 bzw. Z_C2 , insbesondere in dem Frequenzbereich ΔF und dem Gleichspannungsbereich ΔU_DC: 10 ≤ |Z_K|/|Z₀| ≤ 10000, insbesondere 20 ≤ |Z_K|/|Z₀| ≤ 1000, und insbesondere 50 ≤ |Z_K|/|Z_C| ≤ 500.
Die Messanordnung 1 umfasst weiterhin drei Kalibrier-Messschaltungen 15, 16, 17. Die Kalibrier-Messschaltungen 15, 16, 17 sind im strukturellen Aufbau identisch, sodass nachfolgend anhand von 5 lediglich die Kalibrier-Messschaltung 17 im Detail beschrieben ist.
Die erste Kalibrier-Messschaltung 15 umfasst einen ersten ohmschen Kalibrier-Widerstand 18 mit einem Widerstandswert R₁ , einen zweiten ohmschen Kalibrier-Widerstand 19 mit einem Widerstandswert R₂ , ein Kalibrier-Entkopplungselement 13' und ein Kalibrier-Kopplungselement 14'. Der erste ohmsche Kalibrier-Widerstand 18 ist mit einem ersten Knoten k₁ und einem Referenzknoten k₀ verbunden. Der zweite ohmsche Kalibrier-Widerstand 19 ist mit einem zweiten Knoten k₂ und dem ersten Knoten k₁ verbunden. Das Kalibrier-Entkopplungselement 13' ist mit dem ersten Knoten k₁ und dem ersten Anschluss 8 der Kalibrier-Messschaltung 15 verbunden. Das Kalibrier-Kopplungselement 14' ist mit dem zweiten Knoten k₂ und dem Referenzknoten k₀ verbunden. Die Impedanz des Kalibrier-Entkopplungselements 13' und die Impedanz des Kalibrier-Kopplungselements 14' entsprechen den Impedanzen Z_E des Entkopplungselements 13 und Z_K des Kopplungselements 14, sodass diese nachfolgend mit Z_E' = R_E' und Z_K' = R_K' bezeichnet werden.
Die jeweilige Kalibrier-Messschaltung 15, 16, 17 unterscheidet sich somit von der Messschaltung 6 lediglich dadurch, dass die kapazitiven Bauelemente 11, 12 durch die ohmschen Kalibrier-Widerstände 18, 19 ersetzt sind.
Für die erste Kalibrier-Messschaltung 15 gilt: R₁ = R₂ ≥ 100 kΩ, insbesondere R₁ = R₂ = 1 MΩ. Für die zweite Kalibrier-Messschaltung 16 gilt: R₁ = R₂ = 0 Ω. Für die dritte Kalibrier-Messschaltung 17 gilt: R₁ = R₂ = Z₀/ 2, insbesondere R₁ = R₂ = 25 Ω für Z₀ = 50Ω.
Die Kalibrier-Messschaltungen 15, 16, 17 sind auf einer jeweiligen Kalibrier-Platine 20, 21, 22 ausgebildet, die über eine jeweilige Steckkontaktverbindung 7 mit der Grund-Platine 4 mechanisch und elektrisch verbindbar sind. Im eingesteckten Zustand der jeweiligen Kalibrier-Platine 20, 21, 22 ist die jeweilige Kalibrier-Messschaltung 15, 16, 17 entsprechend der Messschaltung 6 mit der Gleichspannungsquelle 2 und dem Impedanzmessgerät 3 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 2 ist also über den Anschluss 8 und das Kalibrier-Entkopplungselement 13' mit dem ersten Knoten k₁ und über den Anschluss 8' mit dem Referenzknoten k₀ und das Impedanzmessgerät 3 über die Anschlüsse 9, 9' mit dem zweiten Knoten k₂ und dem Referenzknoten k₀ verbunden.
Die Messanordnung 1 umfasst weiterhin zwei Prüf-Messschaltungen 23, 24. Die Prüf-Messschaltungen 23, 24 sind im strukturellen Aufbau identisch, sodass nachfolgend anhand von 6 lediglich die Prüf-Messschaltung 23 im Detail beschrieben ist.
Die erste Prüf-Messschaltung 23 umfasst einen ersten ohmschen Prüf-Widerstand 18' mit einem Widerstandswert R₁', einen zweiten ohmschen Prüf-Widerstand 19' mit einem Widerstandswert R₂', ein Prüf-Entkopplungselement 13" und ein Prüf-Kopplungselement 14". Der erste ohmsche Prüf-Widerstand 18' ist mit einem ersten Knoten k₁ ' und einem Referenzknoten k₀ ' verbunden. Der zweite ohmsche Prüf-Widerstand 19' ist mit einem zweiten Knoten k₂ ' und dem ersten Knoten k₁ ' verbunden. Das Prüf-Entkopplungselement 13" ist mit dem ersten Knoten k₁ ' und dem Anschluss 8 der Prüf-Messschaltung 23 verbunden. Das Prüf-Kopplungselement 14" ist mit dem zweiten Knoten k₂ ' und dem Referenzknoten k₀ ' verbunden. Die Impedanz des Prüf-Entkopplungselements 13" und die Impedanz des Prüf-Kopplungselements 14" entsprechen den Impedanzen Z_E des Entkopplungselements 13 und Z_K des Kopplungselements 14, sodass diese nachfolgend mit Z_E" = R_E" und Z_K" = R_K" bezeichnet werden.
Die jeweilige Prüf-Messschaltung 23, 24 unterscheidet sich somit von der Messschaltung 6 lediglich dadurch, dass die kapazitiven Bauelemente 11, 12 durch die ohmschen Prüf-Widerstände 18', 19' ersetzt sind. Für die erste Prüf-Messschaltung 23 gilt R₁' = R₂' = 2,5 Ω und für die zweite Prüf-Messschaltung 24 gilt R₁' = R₂' = 250 Ω. Die Prüf-Messschaltungen 23, 24 unterscheiden sich somit von den Kalibrier-Messschaltungen 15, 16, 17 lediglich durch die Widerstandswerte R₁' und R₂'.
Die Prüf-Messschaltungen 23, 24 sind auf einer ersten Prüf-Platine 25 und einer zweiten Prüf-Platine 26 ausgebildet, die über eine jeweilige Steckkontaktverbindung 7 mit der Grund-Platine 4 mechanisch und elektrisch verbindbar sind. Im eingesteckten Zustand der ersten Prüf-Platine 25 und der zweiten Prüf-Platine 26 ist die jeweilige Prüf-Messschaltung 23, 24 entsprechend der Messschaltung 6 mit der Gleichspannungsquelle 2 und dem Impedanzmessgerät 3 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 2 ist also über den Anschluss 8 und das Prüf-Entkopplungselement 13" mit dem ersten Knoten k₁ ' und über den Anschluss 8' mit dem Referenzknoten k₀ ' und das Impedanzmessgerät 3 über die Anschlüsse 9, 9' mit dem zweiten Knoten k₂ ' und dem Referenzknoten k₀ ' verbunden.
Nachfolgend ist die Funktionsweise der Messanordnung 1 und ein Verfahren zur Ermittlung der Impedanz Z_c anhand von 7 beschrieben:
Zunächst wird in einem Schritt S₁ eine Kalibrierung des Impedanzmessgeräts 3 durchgeführt. Hierzu werden die Kalibrier-Platinen 20, 21, 22 nacheinander in die Grund-Platine 4 eingesteckt und nacheinander mit den Kalibrier-Messschaltungen 15, 16, 17 drei Kalibriermessungen durchgeführt. Für die Kalibriermessungen ist die Gleichspannungsquelle 2 ausgeschaltet bzw. wird mittels der Gleichspannungsquelle 2 eine Gleichspannung U_DC = 0 V eingestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Widerstandswerte R₁ und R₂ der Kalibrier-Messschaltungen 15, 16, 17 wird mittels der Kalibriermessungen eine OSM-Kalibrierung durchgeführt (O: Open, S: Short, M: Match). Die drei Kalibriermessungen erfolgen somit mit Widerstandswerten R₁ und R₂ , die eine Unterbrechung, einen Kurzschluss und einen Widerstandswert von 50 Ω entsprechen. Der Widerstandswert von 50 Ω ergibt sich dadurch, dass bei der dritten Kalibrier-Messschaltung 17 für das Impedanzmessgerät 3 die ohmschen Widerstände 18, 19 mit den Widerstandswerten R₁ = R₂ = 25 Ω seriell geschaltet sind.
Die Kalibriermessungen sind in 8 in einem Smith-Diagramm dargestellt, wobei Γ einen komplexen Reflexionsfaktor und Re{Γ} den Realteil und Im{Γ} den Imaginärteil des Reflexionsfaktors bezeichnet. Für den Reflexionsfaktor gilt: $Γ = (Z_{M} - Z_{0}) / (Z_{M} + Z_{0})$
wobei Z₀ eine Leitungsimpedanz bzw. die Impedanz des Impedanzmessgeräts 3 und Z_M eine Abschlussimpedanz bzw. eine zu messende Schaltungsimpedanz bezeichnet. Die Kalibriermessungen sind vor der Kalibrierung des Impedanzmessgeräts 3 mit O', S' und M' in das Smith-Diagramm gemäß 8 eingezeichnet. Nach der Kalibrierung durch das Impedanzmessgerät 3 wurde die Lage der Kalibriermessungen im Smith-Diagramm korrigiert. Dies ist in 8 durch die Punkte O, S und M veranschaulicht.
Nach der Kalibrierung des Impedanzmessgeräts 3 erfolgt in einem Schritt S₂ eine Überprüfung der Kalibrierung. Zur Überprüfung der Kalibrierung werden nacheinander die Prüf-Platinen 25, 26 in die Grund-Platine 4 eingesetzt und mittels der Steckkontaktverbindung 7 die Gleichspannungsquelle 2 und das Impedanzmessgerät 3 an die jeweilige Prüf-Messschaltung 23, 24 angeschlossen. Für die Prüfmessungen ist die Gleichspannungsquelle 2 ausgeschaltet bzw. wird mittels der Gleichspannungsquelle 2 eine Gleichspannung U_DC = 0 V eingestellt. In 8 sind die Prüfmessungen in dem Smith-Diagramm veranschaulicht, wobei P₁' und P₂' nicht akzeptable Prüfmessungen veranschaulichen und P₁ und P₂ optimale Prüfmessungen veranschaulichen.
Liegen die Prüfmessungen außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs T, wie dies bei den Prüfmessungen P₁' und P₂' der Fall ist, so muss die Kalibrierung und Prüfung wiederholt werden. Hierzu werden zunächst die Kontakte überprüft und anschließend die Schritte S₁ und S₂ erneut durchgeführt. Liegen die Prüfmessungen innerhalb des Toleranzbereichs T, wie dies bei dem Prüfmessungen P₁ und P₂ der Fall ist, so wird ein nachfolgend beschriebener Schritt S₃ durchgeführt. Idealerweise liegen die Prüfmessungen P₁ und P₂ auf der Achse Re{Γ}.
In einem Schritt S₃ erfolgt die Messung der Schaltungsimpedanz Z_M . Hierzu wird die Mess-Platine 5 in die Grund-Platine 4 eingesteckt und mittels der Steckkontaktverbindung 7 die Gleichspannungsquelle 2 und das Impedanzmessgerät 3 derart an die Messschaltung 6 angeschlossen, dass sich für die Gleichspannungsquelle 2 das Ersatzschaltbild gemäß 3 und für das Impedanzmessgerät 3 das Ersatzschaltbild gemäß 4 ergibt. Anschließend wird mittels des Impedanzmessgeräts 3 die Schaltungsimpedanz Z_M in Abhängigkeit der eingestellten Gleichspannung U_DC und der eingestellten Messfrequenz f gemessen. Hierzu gibt das Impedanzmessgerät 3 das Messsignal U mit der Messfrequenz f vor. Während der Impedanzmessung variiert die Gleichspannungsquelle 2 die Gleichspannung U_DC in dem Gleichspannungsbereich ΔU_DC mit der Schrittweite Δu_DC und das Impedanzmessgerät 3 die Messfrequenz f in dem Frequenzbereich ΔF mit der Schrittweite Δf oder dem Schrittverhältnis f_i/f_i+1.
Aus der gemessenen Schaltungsimpedanz Z_M , die von der Messfrequenz f und der Gleichspannung U_DC abhängig ist, wird in einem anschließenden Schritt S₄ die Impedanz Z_c der kapazitiven Bauelemente 11, 12 berechnet.
Dadurch, dass die Impedanzen Z_C1 und Z_C2 in dem Ersatzschaltbild gemäß 4 seriell geschaltet sind, ist die Impedanz Z_c aus der Schaltungsimpedanz Z_M wie folgt berechenbar: $Z_{C} = Z_{M} / 2$
Die Genauigkeit der Ermittlung der Impedanz Z_c wird dadurch verbessert, dass die Schritte S₃ und S₄ für weitere Mess-Platinen mit entsprechenden Messschaltungen wiederholt werden und aus den ermittelten Impedanzen Z_c der Messschaltungen ein Mittelwert für die Impedanz Z_c gebildet wird.
9 zeigt den ohmschen Widerstand R_c in Abhängigkeit der Messfrequenz f und der Gleichspannung U_DC . Entsprechend zeigt 10 den Betrag des kapazitiven Blindwiderstands X_c in Abhängigkeit der Messfrequenz f und der Gleichspannung U_DC .
Nachfolgend ist anhand von 11 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind das Entkopplungselement 13 und das Kopplungselement 14 als Spulen ausgebildet. Für die Impedanz Z_E des Entkopplungselements 13 gilt: $Z_{E} = {jX}_{E} = j ω L_{E}$
Entsprechend gilt für die Impedanz Z_K des Kopplungselements 14: $Z_{K} = {jX}_{K} = j ω L_{K}$
Wie aus den Gleichungen (8) und (9) ersichtlich ist, wirken das Entkopplungselement 13 und das Kopplungselement 14 aus Sicht der Gleichspannungsquelle 2 als Kurzschluss, wohingegen das Entkopplungselement 13 und das Kopplungselement 14 aus Sicht des Impedanzmessgeräts 3 hochimpedant, insbesondere als Leerlauf wirken. Im Ersatzschaltbild ergibt sich für die Gleichspannungsquelle 2 somit entsprechend 3 eine Parallelschaltung der kapazitiven Bauelemente 11, 12. Demgegenüber ergibt sich für das Impedanzmessgerät 3 im Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung der kapazitiven Bauelemente 11, 12 entsprechend 4. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus der Messanordnung 1 und der Ermittlung der Impedanz Z_c wird auf das erste Ausführungsbeispiel verweisen.
Die erfmdungsgemäße Messanordnung 1 und das erfmdungsgemäße Verfahren ermöglichen eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz Z_c von kapazitiven Bauelementen 11, 12 in einem weiten Frequenzbereich ΔF und einem weiten Gleichspannungsbereich ΔU_DC . Die Impedanz Z_c wird dadurch ermittelt, dass die Schaltungsimpedanz Z_M von zwei kapazitiven Bauelementen 11, 12 im Zwillingsprinzip gemessen und anschließend die Impedanz Z_c errechnet wird. Die kapazitiven Bauelemente 11, 12 sind insbesondere SMD-Bauelemente. Die kapazitiven Bauelemente 11, 12 sind baugleich und insbesondere aus derselben Fertigungscharge bzw. demselben Produktionslos. Schwankungen in den elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Bauelemente 11, 12 bestimmen die Ergebnisgenauigkeit bzw. die Ermittlungsgenauigkeit der Impedanz Z_c . Anders ausgedrückt, je weniger die elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Bauelemente 11, 12 produktionsbedingt voneinander abweichen, desto höher ist die Genauigkeit der ermittelten Impedanz Z_c . Die Genauigkeit wird dadurch erhöht, dass eine Vielzahl von kapazitiven Bauelementen im Zwillingsprinzip vermessen wird und anschließend ein Mittelwert der errechneten Impedanz Z_c gebildet wird. Die ermittelte Impedanz Z_c wird in ein Datenblatt der kapazitiven Bauelemente 11, 12 übernommen, sodass deren Spezifikation erweitert ist. Die ermittelte Impedanz Zc kann bei einer Schaltungsauslegung berücksichtigt werden. Durch die hohe Freigabestichprobe wird die Impedanz Zc zuverlässig und genau ermittelt. Das Verfahren ist in einfacher Weise automatisierbar.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit einer Gleichspannung mit den Schritten: - Bereitstellen einer Messschaltung (6) mit -- einem ersten zu vermessenden kapazitiven Bauelement (11) und einem zweiten zu vermessenden kapazitiven Bauelement (12), und -- einem Entkopplungselement (13), - Anschließen einer Gleichspannungsquelle (2) derart, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) relativ zu der Gleichspannungsquelle (2) parallel geschaltet sind, - Anschließen eines Impedanzmessgeräts (3) derart, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) relativ zu dem Impedanzmessgerät (3) seriell geschaltet sind und die Gleichspannungsquelle (2) durch das Entkopplungselement (13) von dem Impedanzmessgerät (3) entkoppelt ist, - Beaufschlagen der kapazitiven Bauelemente (11, 12) mit einer Gleichspannung (U_DC) mittels der Gleichspannungsquelle (2), und - Beaufschlagen der kapazitiven Bauelemente (11, 12) mit einem sinusförmigen Messsignal (U) und Messen einer Schaltungsimpedanz (Z_M) mittels des Impedanzmessgeräts (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste kapazitive Bauelement (11) mit einem ersten Knoten (K₁) und einem Referenzknoten (K₀) verbunden ist, dass das zweite kapazitive Bauelement (12) mit dem ersten Knoten (K₁) verbunden ist, dass das Entkopplungselement (13) mit dem ersten Knoten (K₁) verbunden ist, dass die Gleichspannungsquelle (2) mit dem Entkopplungselement (13) und dem Referenzknoten (K₀) verbunden ist, und dass das Impedanzmessgerät (3) mit dem zweiten kapazitiven Bauelement (12) und dem Referenzknoten (K₀) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (6) ein Kopplungselement (14) umfasst, das das zweite kapazitive Bauelement (12) mit einem Referenzknoten (K₀) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite kapazitive Bauelement (12) und das Kopplungselement (14) derart miteinander verbunden sind, dass die Messschaltung (6) einen zweiten Knoten (K₂) ausgebildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (13) mindestens ein Bauteil aus der Gruppe ohmscher Widerstand und Spule umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopplungselement (14) mindestens ein Bauteil aus der Gruppe ohmscher Widerstand und Spule umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) baugleich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (U_DC) zwischen 0 V und 10 V und/oder zwischen 10 V und 200 V und/oder zwischen 200 V und 5000 V variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messfrequenz (f) des sinusförmigen Messsignals (U) zwischen 1 MHz und 3 GHz und/oder zwischen 3 GHz und 8 GHz und/oder 8 GHz und 20 GHz variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (13) in einem Frequenzbereich (ΔF) einen Impedanzbetrag |Z_E| hat und für einem Impedanzbetrag |Z_C| einer Impedanz (Zc) der kapazitiven Bauelemente (11, 12) im Verhältnis zu dem Impedanzbetrag |Z_E| gilt: 10 ≤ |Z_E|/|Z_C| ≤ 10000.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopplungselement (14) in einem Frequenzbereich (ΔF) einen Impedanzbetrag |Z_K| hat und für einem Impedanzbetrag |Z_C| einer Impedanz (Zc) der kapazitiven Bauelemente (11, 12) im Verhältnis zu dem Impedanzbetrag |Z_K| gilt: 10 ≤ |Z_K|/|Z₀| ≤ 10000.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer Kalibrier-Messschaltung (15, 16, 17) eine Kalibrierung des Impedanzmessgeräts (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung (15, 16, 17) entsprechend der Messschaltung (6) aufgebaut ist und das erste kapazitive Bauelement (11) durch einen ersten Kalibrier-Widerstand (18) und das zweite kapazitive Bauelement (12) durch einen zweiten Kalibrier-Widerstand (19) ersetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kalibrier-Widerstand (18) mit einem ersten Knoten (k₁) und einem Referenzknoten (k₀) verbunden ist, dass ein zweiter Kalibrier-Widerstand (19) mit dem ersten Knoten (k₁) verbunden ist, dass ein Kalibrier-Entkopplungselement (13') mit dem ersten Knoten (k₁) verbunden ist, dass die Gleichspannungsquelle (2) mit dem Kalibrier-Entkopplungselement (13') und dem Referenzknoten (k₀) verbunden ist, und dass das Impedanzmessgerät (3) mit dem zweiten Kalibrier-Widerstand (19) und dem Referenzknoten (k₀) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer Prüf-Messschaltung (23, 24) eine Überprüfung der Kalibrierung des Impedanzmessgeräts (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Prüf-Messschaltung (23, 24) entsprechend der Messschaltung (6) aufgebaut ist und das erste kapazitive Bauelemente (11) durch einen ersten Prüf-Widerstand (18') und das zweite kapazitive Bauelement (12) durch einen zweiten Prüf-Widerstand (19') ersetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Prüf-Widerstand (18') mit einem ersten Knoten (k₁') und einem Referenzknoten (k₀') verbunden ist, dass ein zweiter Prüf-Widerstand (19') mit dem ersten Knoten (k₁') verbunden ist, dass ein Prüf-Entkopplungselement (13") mit dem ersten Knoten (k₁') verbunden ist, dass die Gleichspannungsquelle (2) mit dem ersten Knoten (k₁') und dem Referenzknoten (k₀') verbunden ist, und dass das Impedanzmessgerät (3) mit dem zweiten Prüf-Widerstand (19') und dem Referenzknoten (k₀') verbunden ist.
Messanordnung (1) zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit einer Gleichspannung umfassend - eine Gleichspannungsquelle (2), - ein Impedanzmessgerät (3), - eine Messschaltung (6) mit -- einem ersten zu vermessenden kapazitiven Bauelement (11) und einem zweiten zu vermessenden kapazitiven Bauelement (12), -- einem Entkopplungselement (13), - erste Anschlüsse (8, 8') zum Anschließen der Gleichspannungsquelle (2) derart, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) relativ zu der Gleichspannungsquelle (2) parallel geschaltet sind, - zweite Anschlüsse (9, 9') zum Anschließen des Impedanzmessgeräts (3) derart, dass die kapazitiven Bauelemente (11, 12) relativ zu dem Impedanzmessgerät (3) seriell geschaltet sind und die Gleichspannungsquelle (2) durch das Entkopplungselement (13) von dem Impedanzmessgerät (3) entkoppelt ist.
Messanordnung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (6) ein Kopplungselement (14) umfasst.
Messanordnung (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (8, 8', 9, 9') auf einer Grund-Platine (4) ausgebildet sind, dass die Messschaltung (6) auf einer Mess-Platine (5) ausgebildet ist, die über eine Steckkontaktverbindung (7) mit der Grund-Platine (4) mechanisch und elektrisch verbunden ist.