射频电路测试原理_第十三讲_阻抗测试原理_清华大学_77页.pdf

射频电路测试原理第十三讲阻抗测试原理guolinli射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期2课程体系结构?目标：服务于射频通信系统设计?定位：射频通信系统测试中的测试原理DUPLEXERLNAPAADCDACDSP(De/Mod)Baseband射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期3射频信号矢量信号DUPLEXERLNAPAADCDACBasebandDSP(De/Mod)网络分析仪（射频测试）频谱分析仪信号发生器网络特性：传输特性、反射特性信号特性（失真、功率）、传输特性逻辑分析仪示波器矢量信号分析仪噪声系数分析仪混合信号电路设计：信号完整性阻抗阻抗分析仪时域反射计模块/系统调试射频电路测试原理误差理论通用测试仪器射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期4把测试仪器理解为通信机?交叉理解射频通信系统和通用测试仪器，相互借鉴?接收机?频谱分析仪、示波器、网络分析仪、逻辑分析仪、噪声系数分析仪、矢量信号分析仪?发射机?信号发生器?射频通信系统中的测试原理就是射频通信系统的设计原理射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期5考试?重点?频谱仪、网络分析仪、示波器、时域反射计?射频测试、时域测试、阻抗?2005/6/15/上午8:00-10:00/6教6A118?开卷?评分?期末40分?作业30分?翻译40分射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期6阻抗测试原理参考文献?Agilent资料?Kazunari Okada,Toshimasa Sekino,Agilent Technologies Impedance Measurement Handbook,Dec,2003?Eric Bogatin,Signal Integrity:Simplified,Prentice Hall,2003?李玉山，李丽平 译，信号完整性分析信号完整性分析，电子工业出版社，2005?Howard Johnson,High Speed Digital Design-A Handbook of Black Magic,Prentice Hall,1993?沈力 等译，高速数字设计高速数字设计，电子工业出版社，2004射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期7目录?信号完整性分析与阻抗?阻抗的基本定义?阻抗测试差异?阻抗测试技术?阻抗测试中的误差补偿：校准?课程体系结构总结射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期8一、信号完整性分析?随着时钟频率的提高，确定和解决信号完整性问题成为产品设计中最为关键的问题，成功属于那些准确把握信号完整性问题并能采取有效的设计流程消除这些问题的公司。只有运用新规则、新技术和新分析工具，才能实现高性能的设计并缩短开发周期。?There are two kinds of designers,those with signal-integrity problems and those that will have them.?广义地讲，信号完整性指的是高速产品中由互连线引起的所有问题?研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能?时序、噪声、电磁干扰As clock frequencies increase,identifying and solving signal-integrity problems becomes critical.The successful companies will be those that master signal-integrity problems and implement an efficient design process to eliminate these problems.It is by incorporating new design rules,new technologies,and new analysis tools that higher performance designs can be implemented and meet ever-shrinking schedules射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期9四类特定问题射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期10单线网络的信号质量问题?当信号从驱动源输出时，构成信号的电流和电压将互连线视为一个阻抗网络，当信号沿网络传播时，它不断地感受到互连线瞬态的阻抗变化?如果阻抗不变，则信号将无失真地传播?如果阻抗发生变化，信号就会在变化处产生反射，通过的部分信号将会产生失真?如果阻抗变化程度极大，失真有可能导致错误的触发1.A line-width change2.A layer change3.A gap in return-path plane4.A connector5.A branch,tee,or stub6.The end of a netThe way to minimize the problems associated with impedance changes is to keep the impedance the signal sees constant throughout the net射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期11Crosstalk多线网络的串扰问题?网络间的容性耦合和感性耦合为串扰信号提供了路径?返回路径为均匀平面是实现最低串扰的结构，如果返回路径均匀平面发生变化了，感性耦合将比容性耦合增加得多?感性耦合主导的串扰又称开关噪声，I噪声?耦合电感主导的开关噪声是连接插件头及封装设计中最为重要的噪声来源?谨慎设计信号路径的物理结构，尽量降低网络间互感量双线系统的近端串扰和远端串扰测试总线上的开关噪声测试射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期12轨道塌陷噪声Rail-Collapse Noise?集成电路的发展趋势是低电源电压和高功率消耗?门越来越多，开关速度越来越快?电源-地系统的设计目标是使电源分配系统的阻抗最小?10.0001?相邻的电源和地间介质尽量薄，紧密靠近；低电感去耦电容；多电源管脚、多地管脚、短管脚；片内去耦射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期13轨道电源噪声3M公司的C-PlyH=8um=20超低回路电感大分布电容降低了电源地分布阻抗0.5V/div5ns/div射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期14电磁干扰EMI?电磁干扰问题包含三个方面：噪声源、辐射传播路径和天线?前面的三个信号完整性问题的根源也是电磁辐射的根源?即使噪声远远低于完整性噪声预算，它仍有可能引发严重的辐射?产生辐射的大多数电压源来自于电源和地分配网络，减小轨道塌陷噪声也能降低辐射?IO接头的阻抗，特别是返回路径的插件连接头的阻抗，会严重影响噪声电压，并引发辐射电流射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期15信号完整性的两个重要推论?1.随着上升沿的降低，信号完整性问题会变得十分严重?信号完整性问题是以电压或电流的变化速度来衡量的，上升沿小意味着dI/dt或dV/dt很大?2.解决信号完整性问题的有效办法很大程度上基于对互连线阻抗的理解上?如果对阻抗有一个清晰的认识，能把互连线的物理设计与互连线阻抗联系起来，那么在设计过程中就能消除许多信号完整性问题射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期16用阻抗描述信号完整性问题?任何阻抗突变都会引起电压信号的反射及失真，这会使信号质量恶化?保持阻抗不变?信号的串扰是由两条相邻信号线（及其返回路径）之间的电场和磁场的耦合引起的?信号线间的互耦合电容和互耦合电感产生的阻抗决定了耦合量?电源供电轨道的塌陷与电源分布系统阻抗有关?降低阻抗?最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流?可通过在电缆周围加铁氧体扼流圈技术增加共模电流做受阻抗以减小共模电流的辐射效应射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期17阻抗是解决信号完整性问题的核心?阻抗不仅可以用来描述与信号完整性相关的问题，而且还可以用来得到信号完整性问题的解决方案和设计方法1?为了把物理系统设计成为我们希望的最佳性能，需要把设计的物理结构转化为等效的电路模型，之后就可以用电路仿真器进行仿真和性能预测。因此需要对阻抗进行建模，阻抗测量是阻抗建模的最基本依据2?射频频带对阻抗的测量是困难的，但阻抗测量可以使设计者更加明了如何使他们的设计符合指标3214567890*#射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期18IVZ=二、阻抗的基本定义5.0110MHz10MHz100GHz1?阻抗的基本定义就是：流经器件的电压电流比例关系?阻抗定义适用于所有场合：时域/频域，实际器件/理想器件?电阻、电容、电感、传输线、?Only real devices can be measured,and only ideal elements can be calculated or simulated射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期19理想器件的时域阻抗定义?理想电阻?理想电容?理想电感?理想电容的阻抗和其两端电压波形的变化有关；理想电感的阻抗和流过电感器的电流变化有关?时域内用阻抗描述理想电路元件可能是一种非常复杂的方法，转换到频域分析则问题可以简化RIVZ=()dtdVCVdtCVdVdtdQVIVZ=IdtIdLIVZ=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期20dtdVCVIVZ=例：电容的时域电阻?ttCdttdCtZcossin1sinsin=?落后90射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期21阻抗的频域定义ttCdttdCtIVZCcossin1sinsin=CjeCeeCZjtjtjC11122=?频域：只有正弦波?计算两个正弦波的比值，计算两波形的幅度之比和两者的之间的相移?频域中表述电容和电感的阻抗形式都十分的简单，因而阻抗的表述往往在频域内表述LjZL=?例：10nF的去耦电容，在1GHz频率时的阻抗为多少？=016.010114.3211nFGHzCXC射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期22复数阻抗与导纳?施加正弦信号-幅度、频率、相位jBGVIY+=jXRIVZ+=导纳admittance阻抗impedanceGjB电导conductancejXR电纳susceptance电抗reactance电阻resistance射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期23=+=YjBGY阻抗/导纳平面resistiveinductivecapacitiveZ=+=ZjXRZRX22XRZ+=RXarctan=conductiveinductivecapacitiveZY1=GB22BGY+=GBarctan=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期24耗能储能=Q非理想电感/电容的Q值resistiveinductivecapacitiveZRXRXQ=tanconductiveinductivecapacitiveGBGBQ=tanBGD=tanctanDissipation factorCGBG=tanQuality factor射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期25?为何测试不能保持一致性？三、阻抗测试差异Q:165Q=120?D U TZ AnalyzerQ:165Q:120LCR meterL:5.231 uH?D U TL:5.310 uHLCR meter5.310 uHLCR meter5.231 uH射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期26误差来源?器件相关因素?测试信号频率、测试信号电平、直流偏置、环境参数（温度、湿度、）、老化、?为什么这些因素会影响到测试结果？?理想值、实值、示值?测试误差?电路模型（方法误差）射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期27寄生元件把问题复杂化了?所有的器件都有寄生效应，寄生效应大小取决于器件材料差异、设计方案的不同?理想器件是仿真用的，实际中不存在理想电阻、理想电容、理想电感和理想传输线?实际器件都有寄生效应，因而它们的行为必然受到寄生效应的影响?或者说，所有器件的测试都是有限制的?确定的频率、温度、湿度、偏置射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期28?你买来的根本就不是一个电容?频率测试中必须考虑的最关键因素之一实际的电容一阶电容模型二阶RLC模型射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期29测试信号电平?贴片器件SMD越来越流行，以贴片电容为例?陶瓷介质特性和测试信号强度相关，介电常数越高，相关度越大VacCLow Mid High 射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期30IdcL/%05010002-2-4-6-8-10-20直流偏置?开关电源中的功率电感用于高电流下噪声的滤除，需要确认直流偏置的影响不应该影响其滤波特性?正确的直流偏置，尤其是对II型贴片电容VdcType IType IIC/%05010002-2-4-6-8-10-20NPO(low)X7R(h igh )射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期31温度影响?温度的影响必须在测试和电路设计中予以考虑Type I and II SMD CapacitorsT/CType IType IIC/%-6060140101550-5-10-15-20NPO(low)X7R(h i gh)-2020100射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期32dACr0=理想值、实值、示值?理想值?理论值，以及仿真电路模型中中给出的单个元件都是理想的+/-Ins t rumentTest f i x tureReal worl d dev ice%?实值?在测量带宽内的有效值?设计和仿真中，有效值在有效带宽内可以表述实际元件的行为?示值?测试仪器显示出来的测量结果还包括了工作台影响及仪器内部误差?测量的准确度在于能否使示值尽可能地接近于实值射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期33?误差使示值和实值相差甚大?合理的修正及补偿可以使示值与实值相近误差来源及修正DUTR +jXxxTest FixtureInstrumentPortExtensionTechniqueInaccuraciesComplexResidualsResidualsRFINoiseParasiticsCalibrationLOADCompensationCompensationEShieldingGuarding射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期34Guarding射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期35测试结果/计算结果与模型I-V方法反射系数方法IV,被测量+=110ZZIVZ=计算公式是电阻、电容、电感、还是它们的并联、串联？基于模型的近似?实际的电路模型可以是一阶的、二阶的、高阶的，从而在不同带宽内完全拟合测试结果?然而仪器内部往往不能处理这么复杂的模型，仪器内部总是假设测量的是二元素模型，因而假设测试一个实际电容的话，仪器显示的阻抗结果要么是一个电阻和一个电容的并联，要么是一个电阻和一个电容的串联射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期36串并联等效的一般规则?对于大电容（100uF），电容和电阻的串联模型较好；对于小电容（100MHz）最高测试精度方法?虽然是50系统，但阻抗测试范围仍然较高射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期534.6 网络分析法?高频最佳测试方案?合适：100kHz?最佳：1.8GHz?反射系数法是唯一的测试方案?中等精度?测试范围有限+=110ZZ射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期544.7 时域反射计TDR?不连续性分析/阻抗变化分析?传输线、测试夹、信号完整性?50附近Series R&LParallel R&C0tZLDUTOscilloscopeStep GeneratorVVINCR射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期55首先是频率范围，其次是阻抗范围，再次是测试精度，最后是其他考虑4.8 测试方法选择要点?自平衡电桥：低频1.8GHz，?谐振法：高Q/低D?时域反射计：不连续性射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期564.9 HP产品列表Auto Balancing Bridge(Four-Terminal Pair)Resonant(Q-Meter)RF I-VMeasurement MethodHP ProductsFrequency rangeHP 41941A Impedance Probe(withHP 4194A)HP 4193A Vector Impedance MeterHP 42851A Q Adapter(with HP 4285A)10KHz to 100MHz400KHz to 110MHz10Hz to 40MHz5Hz to 13MHz20Hz to 1MHz spot100Hz to 10MHz spot75KHz to 30MHz75KHz to 30 MHzHP 4263A LCR MeterHP 4284A Precision LCR MeterHP 4192A LF Impedance AnalyzerHP 4194A Impedance/Gain-PhaseAnalyzerHP 4285A Precision LCR MeterHP 427xA LCR MetersHP 4286A RF LCR MeterHP 4291A Impedance/Material Analyzer100Hz to 100 kHz spot1 MHz to 1 GHz1 MHz to 1.8 GHzI-V(Probe)kBAgilent101.0:4291 射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期57HP产品列表（续）Network Analysis(Reflection Coefficient)TDNA(TDR)Measurement MethodHP ProductsFrequency range300KHz to 1.3GHz/6GHz130MHz to 13.5GHz/20GHz45 MHz to 100GHz5Hz to 500MHz100 kHz to 500MHz100 kHz to 1.8 GHzHP 8751A Network AnalyzerHP 8752C/8753D RF Network AnalyzersHP 8510B Network AnalyzerHP 54121T Digitizing Oscilloscope and TDRHP 4195A Network/Spectrum Analyzerwith HP 41951A Impedance Test SetHP 8752C/8753D RF Network AnalyzersHP 8719C/8720C Network AnalyzersHP 8510B Network AnalyzerHP 8719C/8720C Network AnalyzersHP 4396A Network/Spectrum Analyzerwith HP 43961A Impedance Test Kit射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期58五、误差补偿(RF I-V:4291B)?误差补偿和误差校准?开路/短路补偿?开路/短路/匹配补偿?测试实例射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期595.1 误差校准?校准平面（Calibration Plane）：一个有确定测试精度的测试参考面。?该参考面称为校准平面，一般位于测试仪器的前面板接头处Standard DeviceZ Analyzer!100LCR Meter100Calibration Plane(Measurement accuracy is specified.)射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期60校准平面延拓：电缆修正?测试仪器一般提供电缆修正功能，从而可以实现校准平面的延拓，延拓至特定电缆的尾端?电缆特性必须是验证过的，仪器将自动将电缆引入的相位偏移及其他因素考虑进去，并予以校准消除LCRMeterLCRMeterHP Measurement CableCalibration PlaneCalibration Plane射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期61补偿?补偿：降低由测试夹引入的测试误差的方案：补偿就是校准?测试夹位于校准平面和被测器件之间?没有测试夹，在校准平面进行测试将保证确定的精度，然而实际测试中几乎总是有测试夹的，它们将降低测试精度?补偿技术包括open/short和open/short/load两种方案Z AnalyzerLCR MeterFixtureCablesScanner,etc.100+ZZDUT100Calibration Plane射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期625.2 open/short 补偿?开路/短路补偿技术是最流行的补偿技术，该技术中假设测试夹引入的残余误差被等效为残余阻抗和残余导纳?开路时，阻抗测试结果近似为残余导纳的倒数?短路时，阻抗测试结果为残余阻抗?实际阻抗可以将其影响剔除ZdutRsLsCoGoHcHpLpLcZmStrayResidualTest Fixture ResidualsAdmittance(Yo)Impedance(Zs)()smosmodutZZYZZYZZZsm=111射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期63适用与不适用范围?适用?仪器自带测试夹?仪器自带测试夹和电缆?不适用?过于复杂的残余误差情况?自制测试夹、多端口测试台、balun、滤波器、直流偏置、?相移误差?未校准的非仪器自带电缆射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期64复杂残余情况SCANNERDUTLCR Meter射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期65未校准相移误差LCR MeterDUTTest FixtureNot a standard length cable*射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期665.3 open/short/load 补偿ZdutA BC DDUTV2V1Unknown 2-terminalImpedanceInstrumentI1I2pair circuit射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期67理论推导=2211IVDCBAIVDCZBAZDICVBIAVIVZ+=+=222222111CAZopeno=:mosmmosmmmdutZZZZCDCZCZDZDZCZABDZZ=DBZshorts=:CDZZCDZZDCZDZZCZZstdsstdostdsstdosm+=+=DCZBAZZloadstdstasm+=:stdsmsosmZZZZZCD=DCZBAZZDUTdutdutm+=:stdmosmsmsosmdutZZZZZZZZZZ=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期68?100pF:HP4285A:HP16048E(4 meter cable)?对于过长的电缆，高频下的相移将无法被补偿一个电容的实测精度)(12C-measurement error%Frequency kHz8001000600400200OPEN/SHORT compensationOPEN/SHORT/LOAD compensation)(3射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期695.4 实测过程1.Measure LOAD deviceas accurately as possible.2.Input LOAD measurement valueas a reference value.Direct-connected test fixture射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期70实测过程（续）3.Perform OPEN/SHORT/LOAD compensation at the test terminal.4.Measure DUT at the test terminal.Test TerminalTest Fixture with complicated residuals射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期71负载选择?一堆需要测量的DUT，且其阻抗不同?LOAD选取1001k（LCR Meter的最佳测试范围）?单个DUT，阻抗固定?LOAD尽量接近DUT的阻抗射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期72负载选择（续）?选择稳定的纯阻和纯容做负载?即使是测试电感，选择电感做LOAD也是不合适的，因为电感对环境变化太大?负载和被测器件尽量尺寸一致?负载的值应该是精确已知的?如果测量负载阻抗，应将仪器设置为最大精度测试状态，并直接连接到测试仪器的自带直连测试夹上射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期735.5 一些测试例射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期74一些测试例（续）射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期755.6 校准小结TheoryCalibrationCable correctionCompensationOPEN/SHORTCompensationOPEN/SHORT/LOADCompensationEliminate instrument system errorsDefine the Calibration Plane using a CAL standardEliminate the effects of cable errorExtend Calibration Plane to the end of the cableEliminate the effects of error sources existing between Calibration Plane and DUTEliminate the effects of simple fixture residualsEliminate the effects of complex fixture residuals射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期76补偿方法选择InstrumentsFixture ConnectionPrimary FixtureSecondary FixtureResidualCompensationOPEN/SHORT onlyCable correction +OPEN/SHORTOPEN/SHORT/LOADOPEN/SHORTorOPEN/SHORT/LOADDirect Test FixtureComplicated FixtureScanner,etc.Direct Test FixtureOther FixturesDirectTest FixtureSpecified HP CableNon-specified HP cableNon-HP cableSelf-made Test Fixture(4284A,4285Aetc.)Z AnalyzerLCR MeterCable correction +OPEN/SHORT/LOAD射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期77谢谢大家支持?首次开课，欢迎同学多提宝贵意见，让这个课程能够更好地为同学服务