インピーダンス測定の基礎 - keysight.com · z xc 1 2 sfc 1 / zc z x l 2 sfl zzl 2sf....
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3Page
インピーダンスとは
• AC信号
sin
cos
ZX
ZR
ZjXRZ
R
交流の流れにくさを表す
-j
O-
|Z|
実数軸虚数軸
+j
R
X
抵抗性
誘導性
容量性
V = RI
V = ZI
:リアクタンス
:レジスタンス
• DC信号
R:抵抗、レジスタンスDC電流の流れにくさを表す
Z:インピーダンス
R jX単位はΩ(オーム)
4Page
インピーダンスとは(電流と電圧の関係)
t
t
t
dt
dVCI
dt
diLV
IRV
iR
iC
iL
V
V
V
V
iR
V
iC
V
iL
90°
90°
同相
電流に対して電圧は?
90度遅れる
90度進む
抵抗
コンデンサ
インダクタ
7Page
理想的なコンデンサ:
理想的なインダクタ:
インピーダンスの計算
L
C
リアクタンスには誘導性(XL)と容量性(XC)の2種類がある
Cj
Cj
11 Lj
Lj
Lj
11Cj
コンデンサ インダクタ
Z
Y
CfCXcZ /121
LfLXZ L 2 f 2
8Page
アドミタンスとは
sin
cos
1
YB
YG
YjBGY
ZY
G
jB
交流の流れやすさを表す
O-
|Y|
+j
-j
Y=1/Z
G
B
実数軸虚数軸
導電性
誘導性
容量性
I = YV I = YV 単位はS(ジーメンス)
:サセプタンス
:コンダクタンス
9Page
インピーダンスとアドミタンス
))((
)(22
2
2 LjLCRRLjLCRR
LjLCRRLRj
LjLCRR
LRjZ
→ 複雑LRj
LCRLjR
Cj
LjRZ
2
1
1111
)1( CLjRZ
→ 簡単)1(1 LCjRY
C L R
f 2
並列
直列
C
L
R
インピ―ダンスの計算
アドミタンスの計算
10Page
まとめ:インピーダンスとは
LCR
交流における電圧と電流の関係を表すパラメータ
DCの場合V=RI R 0
ACの場合V=ZI
振幅
位相(電圧が電流に対して)
R
変化なし( = 0°)
C1
90度遅れる
L
90度進む
RC
j
1 Lj複素数表示
14Page
周波数とリアクタンス
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
1
100m
Frequency (Hz)
Imp
ed
an
ce (
Oh
ms)
1Ω
直列回路の場合
10uH1uF 1Ω
)1( CLjRZ
共振周波数ωL = 1/ωC
f = 1/2π√LC
15Page
周波数とリアクタンス
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
1
100m
Frequency (Hz)
Imp
ed
an
ce (
Oh
ms)
1MΩ
並列回路の場合
1H
10pF
1MΩ
)1(1 LCjRY
共振周波数ωC = 1/ωL
f = 1/2π√LC
16Page
A: |Z|
A MAX 50.00
B MAX 100.0 deg
B: MKR 63 200 000.000 Hz
MAG 47.2113 m
PHASE 659.015 mdeg
0
A MIN 20.00 START 10 000 000.000 Hz
STOP 150 000 000.000 HzB MIN -100.0 deg
m
インピーダンスの測定例
• 共振周波数をまたがる測定例
コンデンサとして機能
インダクタとして機能
17Page
寄生成分の確認
B.リード線を延ばして測定A.リード線をなるべく短くして測定
被測定物:リード部品(コンデンサ)
・リード線に含まれる寄生成分(L成分)の影響を確認
A B
+90°
-90°
θ測定結果Z 測定結果
A
B
AB
-90°から+90°に変化する周波数が左へシフト
L成分の増加によってインピーダンスも増加
18Page
Qファクタ、Dファクタ
• Q=(蓄積エネルギー)/(損失エネルギー)=X/R
• D=1/Q おもにコンデンサで使用
良好な電子部品 R → 0
Q → ∞、 D → 0
G
B
G
B
R
X
R
X
DQ CLCL
tan
11
19Page
まとめ:インピーダンスの基礎
パラメータ
・インピーダンス ・・・ Z = R + jX → 電流の流れにくさ・アドミタンス ・・・ Y = G + jB → 電流の流れやすさ・Qファクタ ・・・ Q = X / R
・Dファクタ ・・・ D(tanδ) = R / X→ リアクタンスの純粋度
インピーダンスの値に影響する条件
・周波数依存性・試験信号レベル依存性・DCバイアス依存性・温度依存性
実際の使用環境に合わせた測定が必要!
21Page
インピーダンス測定方法
• ブリッジ法
• 共振法(Qメータ法)
• I-V 法
ネットワーク・アナライザ(E5061B)(Sパラメータ基準)
・自動平衡ブリッジ法
・RF I-V 法
・反射係数法(ネットワーク解析法)
22Page
自動平衡ブリッジ法
Z = =
V2 = I2 x R2
I2
V1
V2
V1R2
仮想接地
V2
Hc R2
Hp
Lp
LcRs
DUT
V1
I2
I1 = I2
I1
HpotLcur Lpot Hcur
※DUT(Device Under Test) : 被測定物
23Page
RF I-V法
高インピーダンス用テストヘッド 低インピーダンス用テストヘッド
Vi
Vv
Ro
Ro
被測定物
電圧検出
電流検出
IV
Vi
Vv
Ro
Ro
電圧検出
電流検出
I
V
被測定物
50Ωの特性インピーダンスを保つ測定器側を50Ωに終端
・高周波で広いインピーダンス範囲で測定可能・高Q、低Dの測定に適する・周波数帯域が電流検出トランスの帯域に制限される
24Page
反射係数法(ネットワーク解析法)
被測定物入射信号
反射信号
方向性結合器
発振器
VV
反射係数法 ブロック図
V
VINC
R
=Γ Zo:特性インピーダンスΓ:反射係数
jxr
Γ1
Γ1ZZ 0L
25Page
まとめ:インピーダンス測定方法
測定法 利点 欠点 周波数範囲 Keysight製品名
ブリッジ法高確度(0.1%)
広帯域手動による同調
狭帯域DC~300MHz
共振法 Qの測定確度が良い同調操作が必要
インピーダンス測定確度が悪い10kHz~70MHz
I-V 法
接地されたデバイス測定
プローブを使った測定に最適
プローブに採用されているトランスによって周波数範囲が制限される
40Hz~110MHz
自動平衡ブリッジ法広周波数範囲
広インピーダンス測定レンジ
高周波では測定できない接地された試料は測定できない
5Hz~120MHzE4980A4285AE4990A
RF I-V 法高確度(1%)高周波において測定レンジが広い
プローブに採用されているトランスによって周波数範囲が制限される
1MHz~3GHzE4982AE4991B
反射係数法
広周波数範囲特性インピーダンス近辺が正確に測
定できる
周波数を変えるたびに校正が必要インピーダンス測定範囲が狭い
30kHz以上E5061BE5071CE5080A
28Page
2端子法
Hc
Hp
Lc
Lp
被測定物 V
A
被測定物Co
A.接続方法 B.回路
1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M
C.インピーダンス測定範囲(Ω)
Ro Lo
Ro Lo
29Page
4端子法
Hc
Hp
Lc
Lp
被測定物 V
A
被測定物Co
A.接続方法 B.回路
1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M
C.インピーダンス測定範囲(Ω)
30Page
4端子対法
1m 10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M
C.インピーダンス測定範囲(Ω)
Hc
Hp
Lc
Lp
被測定物
V
A
被測定物
A.接続方法 B.回路
35Page
まとめ:テストフィクスチャの条件
• 残留インピーダンスが少ないこと → 直近まで4端子対構成を維持
• 接触抵抗が小さいこと → 電極には腐食しない材料を使用
• 接触部でオープン、ショート接続ができること
→ 電極面を常にきれいにする
38Page
OPEN/SHORT 補正
OPEN/SHORT/LOAD補正
100
+ZZ
被測定物
100
フィクスチャケーブルスキャナ,etc
校正面
インピーダンスアナライザLCRメータ
補正とは
• 被測定物と「校正面」間の測定誤差の原因となっている影響を減らすこと
Rs Ls
Co Go
Hc
Hp
Lp
Lc
Zm
残留インピーダンス(Zs)
テストフィクスチャの残留分
浮遊アドミタンス( Yo )校正面
ZDUT
39Page
Rs Ls
Co Go
Hc
Hp
Lp
Lc
Yo
残留インピーダンス(Zs)
テストフィクスチャの残留分
浮遊アドミタンス ( Yo )
OPEN/SHORT 補正(オープン)
OPEN
)1
(CojGo
LsjRs
CojGoYo
校正面電極に何も接続しない状態で治具のYoを測定
40Page
Rs Ls
Co Go
Hc
Hp
Lp
Lc
Zs
残留インピーダンス(Zs)
テストフィクスチャの残留分
浮遊アドミタンス ( Yo )
OPEN/SHORT 補正(SHORT)
短絡(SHORT)
LsjRsZs
校正面ショートバーを付けた状態で治具のZsを測定
42Page
電気長補正+OPEN / SHORT補正
電気長補正のみ
フィクスチャ補正による効果
CH1 | Z| T&B 2 k, 200 m
CH2 Theta 36 / REF 0
START 1 MHz STOP 1. 8 GHz
OSC 500 mV BI AS OFFHl d€
43Page
位相シフトによる誤差を除去
インピーダンス測定器 被測
定物
テストフィクチャ
長いケーブル
OPEN/SHORT/LOAD補正が有効な例
R L
G C
R L
G C
R` L`
G` C`
分布定数モデル
44Page
OPEN/SHORT/LOAD補正
• 複雑な浮遊成分を低減。
• 位相シフト誤差を低減。
• 測定器間の相関に貢献。
インピーダンス測定器
DUTA B
V2V1
未知の2端子回路網
I1 I2
C D
Open/Short補正に加えて標準DUT(Load)を使用
2
2
1
1
I
V
DC
BA
I
V
45Page
)(
1
2
容量測定誤差
[%]
周波数 [kHz]
800 1000600400200
OPEN/SHORT 補正
OPEN/SHORT/LOAD 補正)(
3
OPEN/SHORT/LOAD 補正の効果
4mの延長ケーブルを使って容量測定したときの誤差の例
46Page
補正
・Open/Short補正 ・・・ 残留Zs と浮遊Yo を除去・Open/Short/Load補正 ・・・ 複雑な残留Zsと浮遊Yoを除去
補正時の注意点
・Open補正時 ・・・ 校正時と実測時の電極間隔は同じにする・Short補正時 ・・・ 残留インピーダンスが十分小さいショートバーを使う・Open/Short補正時の目安
Open値 ・・・ 被測定物のインピーダンスの100倍以上Short値 ・・・ 被測定物のインピーダンスの1/100以下
・Load補正時 ・・・ 値が正確にわかっているデバイスをLoad値とする
まとめ:校正と補正
54Page
Keysight World Online RFコース〈世界を拡張するRFテクノロジーシリーズ〉
日時 タイトル
3/15(水)10:30-11:30
超高速無線通信を実現する新規格IEEE802.11ax/IEEE 802.11adの基礎とRF測定方法
3/15(水)13:30-14:30
電波監視を用いたドローン探知手法の実例
4/19(水)10:30-11:30
ニューフロンティア 50GHzを超える周波数での挑戦~ 5G、レーダ、802.11ad/ay ~
4/19(水)13:30-14:30
次世代計測環境を考える。PXIモジュール型計測器の導入事例と新世代モジュールの紹介
5/17(水)10:30-11:30
IoTを実現するセルラテクノロジーNB-IoTの基礎
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