НЕДОРОГАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОНЕНТОВ С НИЗКИМ ИМПЕДАНСОМ

LOW-COST LOW-IMPEDANCE COMPONENT CHARACTERIZATION SYSTEM

Artyom Petrov

student, Department of Electronics and Microprocessor Technology, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

Sergey Drozdetsky

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor., Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Статья описывает использование VNA для измерений низкого импеданса в PDN. VNA с логарифмической разверткой охватывает диапазон от 10 кГц до 1 ГГц. Метод двухпортового шунтирования оптимален для конденсаторов. Необходима монтажная плата и программное обеспечение, например, QUCS, для анализа.

ABSTRACT

The article describes the use of VNA for low impedance measurements in PDNS. The logarithmic scan VNA covers the range from 10 kHz to 1 GHz. The two-port shunting method is optimal for capacitors. A circuit board and software, such as QUCS, are required for analysis.

Ключевые слова: VNA, PDN, импеданс, логарифмическая развертка частоты, двухпортовой шунтирования, конденсаторы, динамический диапазон, S-параметры, QUCS, ESR, ESL.

Keywords: VNA, PDN, impedance, logarithmic frequency sweep, two-port shunting, capacitors, dynamic range, S-parameters, QUCS, ESR, ESL.

Реальная ценность VNA (векторного анализатора сети) в диапазоне от 1 кГц до 1,3 ГГц заключается в измерениях низкого импеданса для приложений PDN. VNA способен выполнять логарифмическую развертку частоты, охватывая диапазон от 10 кГц до 1 ГГц. Он идеально подходит для измерения профиля импеданса компонентов и межсоединений в тракте распределения мощности.

Метод двухпортового шунтирования с использованием VNA является оптимальным для измерения сопротивления конденсаторов, особенно на высоких частотах, где требуется большой динамический диапазон от мОм до МОм. Для надежного определения характеристик конденсаторов необходима VNA, монтажная плата и программное обеспечение для анализа результатов.

Платы для подключения тестируемых конденсаторов к двум портам VNA представляют собой простую двухслойную плату с разъемами SMA. Программным инструментом для анализа S-параметров является QUCS. На рисунке 1 показана пример полной системы с монтажной платой и VNA. 

Рисунок 1. Полная система с VNWA и монтажной платой с выбором конструкций и конденсаторов

При измерении очень низких импедансов метод двухпортового шунтирования является стандартным в промышленности, аналогичным 4-проводному методу Кельвина. Порт 1 управляет током, порт 2 — напряжением. VNA измеряет S21, которое можно перевести в QUCS для расчета полного сопротивления. Формула для S21: S_21 = V_out / V_in.

Тест возможностей системы включал измерение низкого сопротивления с помощью кусочка припоя шириной 0,635 см. На рисунке 2 показано измеренное полное сопротивление с использованием модели RL.

Рисунок 2. Измеренный импеданс и установленный импеданс модели RL для короткого замыкания при пайке

В этом примере установленная модель соответствует результатам измерений с R=0,25 R=0,25 мОм и L=0,033L=0,033 нГн. Эти значения, вероятно, являются реальными измерениями ESR и ESL этого припоя.

На рисунке 3 показано измеренное полное сопротивление конденсаторов емкостью 1 мкФ, 10 мкФ и 47 мкФ. Их импеданс сильно различается на низкой частоте, но выше 10 МГц он идентичен. Конденсатор емкостью 47 мкФ так же хорош на высоких частотах, как и конденсатор емкостью 1 мкФ. Низкая монтажная индуктивность является важным критерием выбора развязывающих конденсаторов. При сопоставимых затратах конденсатор емкостью 47 мкФ обеспечивает лучшую производительность на низких частотах, чем конденсатор емкостью 0,1 мкФ, но столь же хорошую производительность на высоких частотах.

Рисунок 3. Измеренный импеданс трех разных конденсаторов

Список литературы:

1. Novak, Istvan. “Почему измерения с низким сопротивлением на 2 порта по-прежнему важны”, Журнал Signal Integrity, январь 2020 г. https://www.signalintegrityjournal.com/articles/1544-why-2-port-low-impedance-measurements-still-matter