WO2008113943A2

WO2008113943A2 - Dispositif de mesure d'une impédance

Info

Publication number: WO2008113943A2
Application number: PCT/FR2008/050294
Authority: WO
Inventors: Marc Meyer
Original assignee: European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2008-09-25
Also published as: FR2912816B1; FR2912816A1; WO2008113943A3

Abstract

Pour réaliser les mesures d'impédance sur circuits imprimés des composants électroniques, on prévoit une embase supportant une platine mobile. La platine porte une broche qui, par la mobilité de la platine, permet de prendre un écart variable par rapport à une autre broche de mesure maintenue fixe dans l'embase. On associe alors, dans un appareil de mesure, un écart mesuré entre les deux broches à une valeur de correction de la mesure d'impédance effectuée avec cet appareil. Un modèle électrique du connecteur permet d'évaluer son impédance. Ce dispositif permet ainsi une meilleure flexibilité d'utilisation des connecteurs de mesures standards tout en maîtrisant son influence sur la mesure.

Description

Dispositif de mesure d'une impédance

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure d'une impédance. Elle est destinée à être utilisée dans le domaine des composants électroniques (par exemple des condensateurs) et ou des circuits imprimés, voire des circuits intégrés. Dans ce domaine, elle est plus particulièrement destinée à mesurer le comportement de ces circuits en haute fréquence ou très haute fréquence.

En effet, ces circuits présentent dans tous les cas une dimension non négligeable par exemple jusqu'à quelques dizaines de centimètres pour les circuits imprimés. Les réseaux de connexion qui se développent dans ces circuits engendrent la naissance de boucles de courant particulièrement gênantes. Ces boucles provoquent des résonances en haute fréquence.

Pour résoudre ce problème, il est connu de filtrer les ondes qui naissent dans le circuit en lui adjoignant des capacités de découplage. Les capacités de découplage permettent de filtrer des harmoniques hautes fréquences en jouant le rôle de filtres passe-bas. La fréquence de coupure de ces filtres dépend de la valeur de ces capacités et des inductances en série avec celles-ci. II importe donc de connaître les paramètres électriques des circuits imprimés : capacité entre plans de masse et d'alimentation, résistances et inductances des vias et des composants (notamment des capacités de découplage). La connaissance de ces paramètres permet lors de la conception d'éviter que les résonances n'aient lieu aux fréquences correspondant au spectre harmonique du signal.

Pour un circuit donné, il convient notamment d'établir une réponse fréquentielle et de déterminer la valeur des capacités des condensateurs de découplage qu'il est nécessaire d'y adjoindre pour neutraliser l'apparition de ces phénomènes de résonances électriques. Une première approche peut être expérimentale, elle consiste tout d'abord à mesurer la réactance ou l'impédance du circuit à vide afin de déterminer les capacités constituées par la superposition des plans de masse et d'alimentation du circuit imprimé sans composant, en pratique, sa capacité. Elle revient, après calcul et adjonction des condensateurs de découplage, à mesurer l'efficacité de la neutralisation des résonances parasites envisagées.

Il convient donc de disposer d'une chaîne de mesure. Une telle chaîne comporte dans son principe un connecteur relié d'une part, par un câble, à un appareil de mesure. D'autre part, le connecteur comporte deux broches. Les deux broches sont plaquées sur deux endroits du circuit, deux plages métallisées, entre lesquelles il convient de mesurer l'impédance. Pour des raisons de maniabilité, les broches ont une longueur d'environ 1 cm ou moins. Cette distance sépare, lors de la mesure, l'embase du connecteur, sa base, du composant électronique, du circuit imprimé ou de la carte électronique.

Malheureusement, la longueur de ces broches constitue une boucle de courant créatrice d'une inductance qui elle-même vient fausser la mesure. Pour résoudre ce problème, il est connu de mesurer, au préalable, l'impédance ainsi apportée, ce qui permet d'établir un modèle du connecteur et d'en tenir compte dans la mesure effectuée avec l'appareil.

Un autre problème survient alors. Il est lié au fait que les écarts entre les broches ne correspondent pas toujours aux écarts entre les plages métalliques du circuit dont il faut mesurer l'impédance. Les opérateurs prennent alors l'habitude de tordre légèrement les broches pour les faire toucher correctement les plages métalliques concernées. Bien entendu, dans ces conditions, les mesures sont faussées et les résultats de neutralisation des ondes parasites ne sont pas parfaits. Il devient en particulier impossible de maîtriser correctement le modèle du connecteur et les mesures sont donc difficilement interprétables. En effet, on a pu estimer que, pour un circuit imprimé par exemple, une épaisseur de circuit de 1 mm pouvait conduire facilement à la création d'une inductance de boucle d'une valeur de 1 nH. Dans ces conditions, à des fréquences de l'ordre de plusieurs centaines de MégaHertz, des impédances élevées créées peuvent fausser totalement le fonctionnement. II en va de même pour les broches : les décaler d'un millimètre fait diverger les résultats de la mesure d'une manière inacceptable.

L'invention apporte une solution à ce problème de l'adaptation de la dimension des écarts entre les plages métallisées à prendre en considération. Dans ce but, le dispositif de mesure de l'invention comporte un connecteur dont les broches sont mobiles, l'une par rapport à l'autre. Un modèle mathématique permet en outre de relier les dimensions géométriques et la nature des matériaux du connecteur à une valeur d'impédance, cela en fonction de la distance entre les deux broches de l'embase du connecteur. En agissant ainsi, on peut tenir compte, dans la mesure, de l'écart réel des broches et produire un résultat fiable et interprétable.

La mesure des écarts peut être réalisée de différentes façons. Elle peut être soit une mesure directe de longueur, soit une mesure indirecte par une connaissance d'une géométrie du système mesuré, ou un index renseignant sur la valeur de l'écart. En pratique, la mesure indirecte peut être une mesure préalablement effectuée sur le circuit lui-même, et correspondant à un index.

L'invention a donc pour objet un dispositif de mesure d'impédance, pour mesurer une impédance entre deux points d'un circuit, comportant, - un appareil de mesure,

- un câble,

- un connecteur muni d'une part d'une prise normalisée pour être relié par le câble à l'appareil,

- le connecteur étant muni d'autre part de deux broches formant un point chaud et un point froid, caractérisé en ce que

- les broches du connecteur sont mobiles l'une par rapport à l'autre et leurs positions au moment d'une mesure effective déterminent entre elles un écart parmi plusieurs écarts possibles, - le dispositif comporte une table de mesures préenregistrées correspondant à des paramètres d'écart,

- chacune des mesures préenregistrées correspondant à une valeur d'une impédance apportée, au cours d'une mesure, par les broches en fonction d'un écart, et - l'appareil comportant un circuit de traitement pour produire une mesure d'une impédance, présente entre les deux broches, en fonction d'une mesure préenregistrée correspondant à un écart effectif pendant cette mesure d'impédance.

Dans un exemple, le circuit de traitement met en œuvre un modèle électrique du connecteur, intégré dans un programme permettant de connaître l'impédance du connecteur en fonction de la distance entre les deux broches afin de s'affranchir des modifications de la chaîne de mesure.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit puis à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :

Figure 1 : Un dispositif de mesure d'impédance selon l'invention ;

Figures 2 et 3 : Une représentation des circuits dont on cherche à mesurer les impédances, les capacitances ou les inductances, notamment en présence des condensateurs de découplage, en fonction de la fréquence ; Figures 4 et 5 : Des représentations schématiques de broches du dispositif de mesure de l'invention ;

Figures 6a à 6c : Une représentation d'une première variante de réalisation d'une embase permettant la mobilité des broches du connecteur ;

Figures 7a et 7b : Une représentation d'une deuxième variante permettant la mobilité des broches du connecteur.

La figure 1 montre un dispositif de mesure d'impédance selon l'invention. Ce dispositif de mesure comporte un appareil de mesure 1 relié par un câble 2 à un connecteur 3. Le connecteur 3 comporte d'une part une prise normalisée 4 pour être reliée au câble 2 et d'autre part, deux broches 5 et 6. Les broches 5 et 6 sont destinées à entrer au contact de zones métallisées respectivement 7 et 8 d'un circuit électronique schématisé 9. Entre les points 7 et 8 se développe une impédance schématisée par une résistance 10, une inductance 11 et une capacité 12. Ces caractéristiques doivent être connues avec le maximum de précision afin de les intégrer dans la modélisation d'un réseau de découplage. Alors que la dimension du circuit électronique 9 ne correspond pas a priori à l'écart entre les broches 5 et 6, l'invention prévoit que le connecteur 3 permet la mobilité des broches 5 et 6, l'une par rapport à l'autre. Dans la pratique, l'une de ces broches sera appelée le point chaud, et l'autre, le point froid (la masse). Dans un exemple, la broche de point chaud est fixe par rapport au connecteur 3. La broche de point froid est alors mobile dans le connecteur 3. Ces appellations peuvent être interverties.

Dans la pratique, la broche reliée au point froid sera également reliée à la tresse du câble 2 par l'intermédiaire du connecteur 3. Le câble 2 utilisé sera de préférence un câble coaxial afin d'assurer une bonne impédance caractéristique.

Le dispositif est un analyseur de réseau permettant de calculer les paramètres, ou un réflectomètre En correspondance d'un écart 13 des broches les unes par rapport aux autres, l'appareil 1 comporte un ensemble de mesures préenregistrées dans une mémoire 14. L'appareil 1 comporte à cet effet un microprocesseur 15 relié par un bus d'adresses de données et de commandes 16 à une mémoire programme 17 comportant un programme 18 de mesures, à la mémoire de données 14, à une interface d'entrée et sortie 19, reliée au câble 2, à des périphériques de commande 20, à un capteur de mesures 21 et éventuellement à un dispositif d'affichage 22. La structure de l'appareil 1 peut être changée, notamment s'il est relié à une imprimante pour éditer le résultat de mesure, voire à un dispositif automatique de création ou de sélection de condensateur de découplage.

En fonction des mesures effectuées par le capteur 21 , le microprocesseur 15 fait exécuter le programme 18 pour produire un résultat de mesure, exprimé en termes de capacité ou d'inductance, pour l'impédance ou la réactance mesurée entre les deux broches 5 et 6. Le programme 18 comporte dans son principe le calcul de la contribution réactive du circuit mesuré, compte tenu de la participation de la réactance apportée par les broches 5 et 6. Le programme 18 peut de préférence comporter un sous programme 23 de calcul d'une capacité équivalente à connecter entre les deux métallisations 7 et 8 pour neutraliser au mieux les effets des ondes parasites haute fréquences qui se développent dans le circuit 9. L'appareil 1 est de type connu. Sa particularité, dans l'invention, est de disposer de la mémoire 14 dont les enregistrements 24 sont chacun représentatifs d'un écart donné 13 des broches 5 et 6.

Le principe de la mesure est le suivant : on indique, par exemple à l'aide du périphérique, du bouton de commande 20, à l'appareil 1 , quel est l'écart entre les broches 5 et 6. Cet écart peut être par exemple un écart mesuré avec un pied à coulisse sur le circuit 9, ou un écart correspondant à une indication portée par ce dernier. Il peut par ailleurs être une indication donnée avec un colisage du circuit 9, selon lequel le circuit mesure une longueur donnée. L'indication peut résulter d'une autre mesure. L'indication apportée par le périphérique de commande 20 est exploitée par le microprocesseur 15 pour aller chercher dans la mémoire 14 une valeur d'inductance 24 qui correspond à l'écart ainsi imposé. Cette valeur 24 est utilisée dans le programme 18 pour paramétrer la mesure effectuée par le capteur de mesure 21 et produire le résultat de l'impédance ainsi mesurée. L'impédance mesurée est celle présente entre les bornes 7 et 8 du circuit 9, indépendamment de la présence des broches 5 et 6.

Les broches 5 et 6 sont donc mobiles l'une par rapport à l'autre entre des positions déterminant des écarts 13. et la table 14 comporte des mesures préenregistrées qui correspondent à des valeurs de réactance qui sont justement fonction de ces écarts . La figure 2 montre trois capacités de découplage 25 à 27 en position, en regard d'un circuit imprimé 28. Le circuit imprimé 28 peut être un circuit multi-couches avec un certain nombre de vias, tels que 29, formant des liaisons électriques en profondeur dans le circuit entre les couches de ce circuit. Les vias peuvent être creux ou pleins. L'appareil 1 peut être utilisé pour mesurer l'impédance du réseau de capacités de découplage positionnées sur le circuit imprimé 28. Dans un exemple, les composants électroniques tels que 9 où les condensateurs tels que 25 à 27 peuvent avoir des dimensions de l'ordre de quelques millimètres, mais l'écart entre des empreintes 28 peut être de plusieurs centimètres. Le connecteur 3 est capable de produire des écarts 13 avec un tel débattement.

Sur la figure 3, on a montré un circuit imprimé 28 dans lequel on cherche à mesurer une impédance entre un point, ou via, quelconque de coordonnées xi yi et un autre point, ou via, de coordonnées xj yj. Dans la pratique, il y a ainsi N métallisations permettant de souder des circuits intégrés. Le nombre d'écarts possibles est N !. Dans la mémoire 14, en fonction de ces écarts, on calcule, ou on enregistre, donc N ! valeurs ou index 24 correspondant à des d'inductances apportées par les broches 5 et 6. Dans la pratique, des valeurs d'inductance peuvent être mesurées en connectant entre les broches 5 et 6 des réactances calibrées connues et en mesurant avec le capteur de mesures 21 la réactance résultant de l'écart. La contribution de l'écart des broches est déduite de la modification de la réactance connue à la réactance mesurée. De préférence, si le nombre N est élevé, on procédera par calcul analytique ou expérimental, avec ou sans interpolation entre des mesures clefs, correspondant à des écarts clefs. Au cours de l'utilisation, plutôt que de mesurer l'écart entre les plots du circuit imprimé 28, il pourra suffire d'indiquer à l'appareil 1 les coordonnées xi, yi et xj, yj des deux points destinés à être connectés pour que celui-ci aille chercher dans la mémoire 14, la valeur 24 correspondant. Ces coordonnées ou différences de coordonnées forment un index de la contribution. Les figures 4 et 5 montrent différentes formes utilisées pour réaliser les broches 5 et 6. Figure 4, une telle broche a une forme cylindrique et comporte à son extrémité de contact une partie effilée 30 conique, se terminant de préférence par une partie pointue ou 31 hémisphérique. La partie effilée 30 est prévue pour pénétrer et se bloquer dans un via 29 creux du circuit imprimé 28.

Figure 5, les broches 5 et 6 comportent un profil en marche d'escalier avec une marche 32, un creux de marche 33 et des contre marches 34 et 35. Les contremarches 34 et 35 sont destinées à venir se plaquer contre des chants respectivement 36 et 37 du composant électronique 9 de manière à l'enserrer alors que le creux 33 de marche et la marche 32 viennent appuyer sur les zones de contact 7 et 8 pour former le contact de mesure. Dans ces exemples des figures 4 et 5, les broches sont particulièrement robustes ; elles peuvent avoir un diamètre de l'ordre de 1 mm, réduit de moitié à l'endroit de la marche d'escalier, et avoir une longueur de l'ordre de 15 mm. Pour assurer la mobilité contrôlée des broches les unes par rapport aux autres, le connecteur comporte, figures 6a à 6c et figures 7a à 7b, une embase fixe 36, reliée à un brin du câble 2 et à une platine mobile 37. L'embase 36 peut être reliée à la tresse du câble 2 (non représentée), typiquement par un boîtier externe normalisé 38. Le boîtier 38 est un connecteur de type connu, par exemple, de type dit SMA, ou BNC ou plus généralement de tout connecteur de type radio fréquence. Il est intégré à l'embase 36. La platine mobile 37, dans les deux cas de figures, porte une broche, ici la broche 6. Cette broche est donc mobile par l'intermédiaire de la platine 37. Dans un exemple, l'embase 36 est en métal et la platine 37 est également en métal. L'embase 36 maintient une autre broche 5. La broche 5 est fixe dans l'embase 36. La broche 6 est reliée électriquement à la platine 37 et à l'embase 36. La broche 5 n'est pas reliée électriquement à l'embase 36 car elle est séparée de l'embase 36 par une épaisseur de diélectrique 51 qui permet au connecteur de respecter une impédance caractéristique normalisée (en général 50 ohms). La broche 5 est reliée électriquement à l'âme du câble 2. Elle est située dans le prolongement du contact central du connecteur 3.

Le coulissement de l'embase 36 contre la platine 37 assure leur connexion électrique mutuelle. De ce fait, la broche 6 fichée dans la platine 37 est reliée à la tresse du câble 2 auquel est relié la platine 36.

Dans la variante de la figure 6a à la figure 6c, la platine 37 est mobile en translation dans l'embase 36. A cet effet, l'embase 36 comporte une cavité 39 avec deux flancs internes 40 et 41 , parallèles l'un à l'autre. La platine 37 est glissée dans cette cavité 39, entre ces flancs 40 et 41 et possède elle-même des flancs parallèles 42 et 43, parallèles à ces flancs 40 et 41. Un premier ressort, ou un ensemble de ressorts, 44, prend appui contre un chant 45 de la platine 37, entre ces deux flancs 42 et 43. Par réaction, le ressort 44 appuie sur un fond 46 de la cavité 39. Le ressort 44 tend ainsi à repousser la platine 37 en direction d'un pied droit 47, de l'embase 36. Le pied droit 47 s'élève à partir du flanc 40, perpendiculairement à ces flancs 40, 41. Le ressort 44 est calibré pour être juste suffisant pour maintenir entre les broches 5 et 6 un composant électronique, un circuit intégré, par exemple un circuit intégré monolithique, bloqué par les contremarches 34 et 35. Pour la mesure de l'impédance entre les deux plages 7 et 8 du composant 9, il suffit de placer ce composant 9 entre les marches 32 des deux broches 5 et 6, et de laisser le ressort 44 venir prendre appui sur les chants 36 et 37.

De manière à assurer un déplacement correct de la platine 37 dans l'embase 36, celles-ci peuvent comporter une cannelure et une feuillure coopérant ensemble pour guider leur coulissement mutuel. Par exemple, le profil de la cannelure peut être en queue d'aronde, de même que celui de la feuillure. Pour le montage, on peut prévoir que la platine 36 soit réalisée en deux parties. Après mise en place de la platine 37 dans la feuillure ou la cannelure du flanc 41 , ces deux parties sont assemblées. De manière à assurer le maintien en position de la platine 37 dans l'embase 36, on peut prévoir par ailleurs un deuxième jeu de ressorts, tel que 48, tendant à repousser la platine 37 pour qu'elle appuie contre le flanc 41.

Dans la variante de la figure 7a et de la figure 7b, l'utilisation est plutôt celle correspondant à la mesure des différents points d'un circuit imprimé. Typiquement, la variante des figures 7a et 7b correspond à l'utilisation d'un circuit de la figure 3. Dans celle-ci, l'embase 36 a une forme circulaire alors que la platine 37 qui porte la broche de point froid 6 a une forme en couronne qui s'adapte justement à la forme circulaire de la platine 36. Dans le cas présent, comme dans le cas de la figure 6, les platine et embase 36 et 37 étant en métal, leur coulissement mutuel assure leur connexion électrique mutuelle. Au besoin, on pourrait prévoir un balai de connexion attaché à l'une ou l'autre de ces platine ou embase, et balayant l'autre de manière à assurer une connexion sûre. Dans le cas des figures 7a et 7 b, la platine est mobile en rotation. On peut prévoir, dans ce cas, que la platine puisse être maintenue dans une position en rotation donnée par rapport à l'embase 36. Une visse de serrage 49 peut être ainsi enfoncée au travers d'un chant de la couronne de platine 37 pour venir se mater contre un chant circulaire de l'embase 36.

La seconde broche de point chaud 6, reliée à l'âme du câble 2, est là aussi reliée à une connexion centrale 50 du connecteur 3. Cette connexion centrale 50 et la broche 5 sont par ailleurs isolées de l'embase 36 par un cylindre isolant 51.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Dispositif de mesure d'impédance, pour mesurer une impédance entre deux points d'un circuit, comportant, - un appareil de mesure,

- un câble,

2 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le circuit de traitement est modélisé par un circuit équivalent fonction des caractéristiques géométriques et électrique des broches, notamment de leur diamètre et conductivité des matériaux, et de leur écart au cours de la mesure effective.

3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il possède des dimensions adaptées à mesurer une impédance dans un circuit intégré monolithique.

4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il possède des dimensions adaptées à mesurer une impédance dans un circuit imprimé. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que

- les broches sont effilées avec un bout hémisphérique ou pointu.

6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que - les broches comportent un profil en marche d'escalier pour enserrer et connecter un composant électronique dans le creux de la marche.

7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le connecteur comporte

- une embase reliée électriquement à un brin du câble, - une platine mobile dans l'embase, portant une broche, et reliée électriquement à cette broche,

- la platine étant reliée électriquement à l'embase par un contact glissant.

8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la platine est mobile en translation.

9 - Dispositif selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que la platine et ou l'embase comportent respectivement une cannelure et ou une feuillure coopérant ensemble pour guider leur coulissement mutuel, l'une par rapport à l'autre. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'embase comporte

- une cavité avec deux flancs internes plans parallèles l'un à l'autre,

- la platine est glissée dans cette cavité,

- la platine possède des flancs parallèles à ces flancs de la cavité, - un premier ressort qui prend appui contre un chant de la platine entre ses deux flancs,

- et un deuxième ressort qui plaque un flanc plan de la platine contre un flanc plan de la cavité.

11 - Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la platine est mobile en rotation.

12 - Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce que

- la platine comporte une couronne circulaire entourant une embase circulaire, ou réciproquement.

13 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens pour bloquer la platine par rapport à l'embase.