2. Agenda
Medición básica de Impedancia
Discrepancias en la Medición
Técnicas de Medición
Compensación de Errores
3. Definición de impedancia
• Impedancia es la oposición que ofrece un dispositivo o
circuito al flujo de corriente alterna.
• Señal de prueba de CA (amplitud y frecuencia).
• Incluye elementos reales e imaginarios.
G
R X
B
Z=R+jX Y=G+jB
4. Plano de medición de impedancia
+j
Inductiva
|Z| DUT
Eje Imaginario
Resistiva
Eje Real
Capacitiva
Z = R + jX = |Z|
2 2
|Z| = R + X
= arctg ( X )
-j R
5. Plano de medición de admitancia
Y=1/Z
+j
|Y| DUT
Capacitiva
Eje Imaginario
Conductancia
Eje Real
Y = G + jB = |Y|
Inductiva
2
|Y| = G2 + B
B
= arctg ( )
-j G
6. Agenda
Medición básica de Impedancia
Discrepancias en la Medición
Técnicas de Medición
Compensación de Errores
7. ¿Cuál es el valor correcto?
Q : 165
Analizador
de Z
Q : 165 ? Q : 120 Medidor
Q : 120 de LCR
T
DU
L : 5,231 mH
? L : 5,310 mH
Medidor
5,231 H de LCR DU 5,310 H
Medidor
de LCR
T
8. Causas de discrepancia en la medición
• Factores que dependen del componente.
• Valores Verdadero, Real e Indicado.
• Errores en la medición.
• Circuito equivalente (ecuaciones de transformación).
9. Causas de discrepancia en la medición
Factores que dependen del componente
• Frecuencia de la señal de prueba.
• Nivel de la señal de prueba.
• Tensión y corriente de polarización de CC.
• Condiciones ambientales (temperatura, humedad,
etc.).
11. EL modelo del capacitor real incluye
elementos parásitos
12. Factores de Calidad y Disipación
• Diferencia del Q asociado con resonadores y
filtros.
Energía almacenada X S
• Q Energía perdida RS
• El componente ideal será:
R0yQ
1
• D , muchas veces utilizado en capacitores.
Q
13. Reactancia capacitiva vs. frecuencia
|X| Circuito Equivalente del Capacitor
XC = 1
C
XL = L
f0 Frecuencia
14. Gráfico de impedancia vs. frecuencia
cuando autoresuena el capacitor
A: |Z| B: 0 MKR 6 320 000.000 Hz
A MAX 50.00 MAG 47.2113 m
B MAX 100.0 deg PHASE 659.015 mdeg
A MIN 20.00 m START 1 000 000.000 Hz
B MIN -100.0 deg STOP 15 000 000.000 Hz
15. Variaciones de la capacidad con
el nivel de la señal de prueba
C vs Nivel de Señal de Prueba C vs Tensión de polarización de
Capacitores SMD, con distintas CC
constantes dieléctricas K
Capacitores SMD Type I y II
C/ %
Alto K
C 2
Medio K 0 Tipo I
Bajo -2 NPO
K (bajo K))
-4
X7R
-6 (alto K))
-8
-10
Tipo II
-20
0 50 100 Vcc
Vca
16. Variación de la capacidad con la
temperatura
Capacitores SMD Tipo I and II
C [%]
15
10
5
0
Tipo I
NPO (bajo K)
-5
-10
-15
Tipo II
-20
X7R (alto K)
-60 -20 20 60 100 140
T [ºC]
17. Variación de la inductancia en función
del nivel de corriente continua de
polarización en inductores de potencia
L [%]
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-20
0 50 100 Icc
18. Factores que dependen del componente
• Frecuencia de la señal de prueba.
• Amplitud de la señal de prueba.
• Tensión y corriente de polarización de CC.
• Condiciones ambientales (temperatura,
humedad, etc.).
• Estado actual (energía almacenada).
• Envejecimiento.
19. ¿Qué valor medimos?
• VERDADERO
• REAL
• +/- %
INDICADO Accesorios de
Instrumento Dispositivo Real
Prueba
20. Esquema de medición
Extensión Accesorio
de la para la DUT
Instrumento Entrada Medición Rx + jXx
21. Fuentes de error en la medición
• Errores en las técnicas de medición.
• Extensión de las entradas con efectos residuales
complejos.
• Accesorios con efectos residuales.
• Interferencia de RF y ruido.
• DUT con pérdidas parásitas.
22. Fuentes de error en la medición
Técnica
Pérdidas
Incorrecta Efectos Ruido
residuales
Residuales
Parásitos
Extensión Accesorio DUT
Instrumento de la para la
Entrada R x + jXx
Medición
23. Acciones para limitar los errores en la
medición
Extensión Accesorio
para la Guarda
de la
Instrumento Entrada Medición DUT
Rx + jXx
Calibración
Compensación Compensación
con Adaptación Blindaje
24. ¿Qué instrumento ...?
¿Medida?
¿Cálculo?
¿Aproximación?
Método I-V Método del Coeficiente de Reflexión
Medida I, V x,y
Cálculo V Z = Zo 1 +
Directo Z=
I 1-
Modelo basado en Ls , Lp, Cs, Cp, Rs or ESR, Rp, D, Q
aproximaciones RS CS
DUT
? RP
CP
25. Circuitos equivalentes
Se requieren circuitos equivalentes simplificados
Circuito equivalente
JO
completo del capacitor LE
MP
¿ Rs,Ls,Rp,Cp ? CO
ia do
Circuito equivalente as
D em
del capacitor sin L
26. Circuito equivalente
RS vs RP , ¿cuál es mejor ?
Circuito equivalente Rp
del capacitor sin L
Rs
C
Circuito Circuito equivalente
Rp
equivalente serie Rs Cs paralelo
Cp
C Grande C Pequeña
L Grande
L Pequeña SMD
27. ¿Cúal es el circuito equivalente correcto?
• Ambos son correctos.
RP
CS C P . 1 D
2
Rs Cs
CP
• Para componentes con bajo Q o alto D uno es mejor
aproximación que el otro.
• Para componentes con alto Q o bajo D.
CS CP
28. Agenda
Medición básica de Impedancia
Discrepancias en la Medición
Técnicas de Medición
Compensación de Errores
29. Técnicas de Medición
• Puente auto balanceado.
• Resonancia (Q – metro).
• I – V.
• I – V en RF.
• Análisis de redes (Coeficiente de reflexión).
• TDR (Reflectometría en el dominio del tiempo).
30. Tópicos de las Técnicas de Medición
• Criterio para seleccionar la técnica a emplear.
• Teoría de funcionamiento.
• Ventajas y desventajas de cada técnica.
• Prolongación de las conexiones de entrada.
• Compensación para minimizar el error de medición.
31. Criterio para seleccionar técnicas de
medición
• Frecuencia.
• Impedancia del DUT.
• Exactitud requerida.
• Condiciones eléctricas para efectuar las pruebas.
• Medición de parámetros.
• Características físicas del DUT.
32. Técnicas de medición vs. frecuencia
Analizador de Redes
100 KHz
I-V en RF
1 MHz 1,8 GHz
I-V
10 KHz 110 MHz
Resonancia
22 KHz 30 MHz 70 MHz
Puente auto balanceado
5 Hz 40 MHz
1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G
Frecuencia (Hz)
33. Impedancia y capacidad en función de la
frecuencia
10 F
10 F
0f
10 10 F
10
0p
10
1p
1n
nF 0n
pF
1f
fF
10M
F
F
F
1M
1u
100K F
Impedancia
10
uF0 F
(Ohms)
1
10K
0u
1K
1m
160
F 0m 00m
1 F1
100
10
F
1
100m
1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
Frecuencia (Hz)
34. Gráfico de reactancias
H
H
0K
1m H
10 00
10
0m
10
H
H
m
10
1n
1f
nF nF
0f
1K
10
1
uH 00u H
pF
10
10
10M
F
F
F
H
1M
1u 10 1
1u 10
Impedancia
F
100K
(Ohms)
uF 0uF mF
10
H
10K
H
nH 00n
1K
1
1n 10 1
100
10
m mF
F
10
0p H
10
0
H
1
10
100m
1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
Frecuencia (Hz)
35. Solución por comparación de frecuencia
100M
10M Puente auto balanceado
Impedancia (Ohms)
1M I-V en RF
I-V
100K
10K Analizador de red
1K
100
10
1
100m
10m
1m
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G Hz
Frecuencia (Hz)
36. ¿Cuál es el mejor?
• Todos son buenos.
• Cada uno tiene sus ventajas y desventajas.
• Pueden requerirse técnicas múltiples.
37. Puente auto balanceado
Teoría de funcionamiento
Tierra Virtual
H L R2
DUT
I I2
V1
I = I2 -
+
V 2 = I 2 . R2 V2
V2 V1 . R 2
Z
I2 V2
38. Puente auto balanceado
Ventajas y Desventajas
• Mayor exactitud, básicamente 0,05%.
• Gran rango de medición.
• C, L, D, Q, R, X, G, B, Z, Y, ,
• Gran variedad de condiciones para efectuar pruebas.
• Simple de usar.
• Baja frecuencia, f < 40 MHz.
39. La medición de alto Q / bajo D es dificultosa
X1
+jX Q
R1
X1
Impedancia de dispositivos de
muy alto Q
R1 R
R muy pequeña, dificulta la medición
-jX
40. Técnica de resonancia (Q - Metro)
Teoría de funcionamiento
• Sintoniza C para hacer resonar al circuito.
• En resonancia XD = XC , solamente se tiene el valor
de R. L (XD), RD
DUT
Sintonizando
e a C (XC)
OSC ~ e I V
Z
V RD .V
XC ( a resonancia)
I e
XD XC V
Q
RD RD e
41. Método de Resonancia
Ventajas y Desventajas
Muy bueno para mediciones de alto Q – bajo D.
Requiere bobinas de referencia para medir
capacitores.
Buena exactitud para valores limitados de L y C.
Vectorial Escalar
75 KHz – 30 MHz • 22 KHz – 70 MHz
Rápido y automático • Lento y manual
Fácil de usar • Requiere experiencia del usuario
Compensación limitada • Sin compensación
42. Técnica I - V
Teoría de funcionamiento
R V2
2
V1 V2 I 2 . R 2
I2
DUT V1 V1 . R 2
Z
I2 V2
43. I-V (Puntas)
Ventajas y Desventajas
• Frecuencias medias, 10 KHz < f < 110 MHz.
• Exactitud y rango de medición moderado.
• Mediciones en circuitos con puesta a tierra.
• Simple de usar.
44. I-V en RF
Teoría de funcionamiento
Prueba de una cabeza de Prueba de una cabeza de
alta impedancia baja impedancia
Detección de Detección de Detección de
Tensión Vi Corriente Vi Corriente
Detección de
Ro Tensión
Ro
Vv Ro DUT Vv Ro DUT
45. I-V en RF
Ventajas y Desventajas
• Alta frecuencia, 1 MHz < f < 1,8 GHz.
• Mayor exactitud del método para f > 100 MHz.
• El DUT debe estar conectado a tierra.
46. Técnica de Análisis de Red (Reflexión)
Teoría de funcionamiento
VINC
DUT
VR
VR Z L - ZO
VINC Z L ZO
47. Análisis de Red
Ventajas y Desventajas
• Alta frecuencia.
– Conveniente, f > 100 KHz.
– Mejor, f > 1,8 GHz.
• Exactitud moderada.
• Rango de medición de impedancia limitado.
(El DUT deberá tener alrededor de 50 ).
48. TDR
Osciloscopio
Teoría de Funcionamiento
VINC VR DUT
ZL
R – L Serie
Generador de pulsos
VR ZL - Z0 R – C Paralelo
VINC Z L Z0
t
0
49. TDNA (TDR)
Ventajas y Desventajas
• Medición de reflexión y transmisión.
• Desadaptación de impedancias o discontinuidades
simples o múltiples (consideradas dentro del DUT).
• La impedancia del DUT deberá estar alrededor de
50 .
• No es exacta para DUT´s de m, M o con
múltiples reflexiones.
• Buena para caracterizar diseños de líneas de
transmisión y evaluaciones de alta frecuencia.
50. Reglas simples de selección
Resumen
• Puente auto balanceado, baja frecuencia, f < 40 MHz.
• I–V, para mediciones en circuitos con puesta a tierra,
frecuencias medias, 10 KHz < f < 110 MHz.
• I–V en RF, alta frecuencia, 1 MHz < f < 1,8 GHz.
• Análisis de redes, alta frecuencia, f > 1,8 GHz.
• Resonancia, alto Q bajo D.
• TDNA, discontinuidades y parámetros distribuidos.
51. Métodos de medición y productos HP
Método de medición Producto HP Rango de frecuencia
Puente Auto HP 4263A LCR Meter 100Hz to 100 kHz spot
balanceado HP 427xA LCR Meters 100Hz to 10MHz spot
(4 pares de terminales
HP 4284A Precision LCR Meter 20Hz to 1MHz spot
HP 4285A Precision LCR Meter 75KHz to 30MHz
HP 4192A LF Impedance Analyzer 5Hz to 13MHz
HP 4194A Impedance/Gain-Phase 10Hz to 40MHz
Analyzer
Resonancia (Q-Metro) HP 42851A Q Adapter ( with HP 4285A) 75KHz to 30 MHz
I-V (Puntas) HP 41941A Impedance Probe (with 10KHz to 100MHz
HP 4194A)
HP 4193A Vector Impedance Meter 400KHz to 110MHz
RF I-V HP 4286A RF LCR Meter 1 MHz to 1 GHz
HP 4291A Impedance/Material Analyzer 1 MHz to 1.8 GHz
52. Métodos de medición y productos HP (cont.)
Método de medición Producto HP Rango de frecuencia
Analizador de redes HP 4195A Network/Spectrum Analyzer 100 kHz to 500MHz
(Coeficiente de with HP 41951A Impedance Test Set
reflexión) HP 4396A Network/Spectrum Analyzer 100 kHz to 1.8 GHz
with HP 43961A Impedance Test Kit
HP 8751A Network Analyzer 5Hz to 500MHz
HP 8752C/8753D RF Network Analyzers 300KHz to 1.3GHz/6GHz
HP 8510B Network Analyzer 45 MHz to 100GHz
HP 8719C/8720C Network Analyzers 130MHz to 13.5GHz/20GHz
TDNA (TDR) HP 54121T Digitizing Oscilloscope and TDR
HP 8752C/8753D RF Network Analyzers
HP 8510B Network Analyzer
HP 8719C/8720C Network Analyzers
53. Selección de la frecuencia de prueba
• Caso ideal: efectuar la prueba en las condiciones
de funcionamiento.
• En la realidad deberá emplearse otra.
• A muy altas frecuencias se suman los errores del
instrumento y los del accesorio de prueba.
• Es más dificultosa la medición de DUT´s con
impedancias del orden del m y del M.
54. Ejemplos de medición
Medición de un capacitor ideal de 100 pF a 200 MHz
10
10 F
Z () 10 F
1p
10 0n
10
Comparación de exactitud
1f
1n
pF
0p
10
0f
nF F F F uF F mF
fF
F
10M
F
F
1M
4284A a 1MHz (1600 ): 0,05%
1u 10u 100 1 10 00m
100K
10K 4194A a 10 MHz (160 ): 1,3%
1K
m
100
4284A a 40 MHz (40 ): 5,2%
1
10
41941A a 40 MHz (40 ): 3,6%
F
1
100m 41941A a 100 MHz (16 ): 6,2%
1 10 100 1K 10K100K1M 10M100M f (Hz)
1G
4195A a 200 MHz (8 ): 1,9%
4194
4194
4284
A
A
1
4195
A
55. Puente auto balanceado
A: Cp B: D MKR 1 006 570.375 Hz
A MAX 13.00 pF Cp 10.0742 pF
B MAX 350.0 m D
A/DIV 500.0 fF START 1 000.000 Hz
BDIV 50.00 m STOP 40 000 000.000 Hz
56. I-V
A: Cp B: D MKR 1 011 579.454 Hz
A MAX 13.00 pF Cp 10.4523 pF
B MAX 1.000 D
A/DIV 500.0 fF START 100 000.000 Hz
B MIN 0.000 STOP 100 000 000.000 Hz
57. Análisis de Redes
IMPEDANCE
A: REF B: REF MKR 1 018 519.448 Hz
13.00p 180.0 Cp 10.7531p F
[ F ] [ F ] D
DIV DIV START 100 000.000 Hz
500.0f 36.00 STOP 500 000 000.000 Hz
RBW: 3 KHZ ST: 6.15 sec RANGE: A= 0, T= 0dBm
58. Agenda
Medición básica de Impedancia
Discrepancias en la Medición
Técnicas de Medición
Compensación de Errores
59. Compensaciones para minimizar errores
en la medición
Compensación y calibración.
(Compensación Calibración)
– Definición de compensación y calibración.
– Corrección del cable.
Compensación ABIERTO/CERRADO (A/C).
– Teoría básica.
– Problemas que no pueden ser eliminados con la compensación
A/C.
Compensación ABIERTO/CERRADO/CARGA (A/C/C).
– Teoría básica.
– Selección del dispositivo de carga.
Ejemplos prácticos.
Resumen.
60. Definición de Calibración
Definir el “Plano de Calibración” en el cual se
especifica la exactitud de la medición
Analizador de Z
Medidor de LCR Dispositivo
Standard
100
100
Plano de Calibración
(Exactitud especificada de la medición)
61. Corrección de cables
Definición: extensión del Plano de calibración
empleando los cables especificados
por el fabricante.
Medidor Medidor
de de Cables de medición
LCR LCR
Plano de calibración Plano de calibración
62. Definición de compensación
Para reducir los efectos debido a las fuentes de error
existentes entre el DUT y el Plano de calibración del
instrumento.
2 tipos de compensación
•Compensación Abierto/Cerrado.
•Compensación Abierto/Cerrado /Carga.
Analizador de Z Accesorios, Cables
Medidor de LCR Scanner, etc.
100 DUT
+Z
100
+Z
Plano de calibración
63. Compensación Abierto/Cerrado (A/C)
Teoría Básica
Efectos Residuales del Accesorio
Impedancia Admitancia de
Residual (ZS) Pérdida ( YO )
HC RS LS
HP ZS = RS + j LS
Zm CO GO ZDUT YO = GO + j CO
LP
LC
Z m - ZS
Z DUT
1 - Z m - ZS . YO
64. Discusión de la Compensación A/C
Problema Nº 1
Dificultad para eliminar los efectos residuales
Medidor Capacidad de
de LCR pérdidas
Inductancia residual
Resistencia residual
SCANNER Efectos residuales
DUT
65. Discusión de la Compensación A/C
Problema Nº 2
Dificultad para eliminar el error por corrimiento de fase
Medidor de Longitud de cable* no standard
LCR
DUT
Accesorio
para prueba
* no es un cable provisto
por el fabricante
66. Discusión de la compensación A/C
Problema Nº 3
Dificultad para tener correlación entre instrumentos.
Discrepancia en los valores medidos
Caso Ideal Caso Real
Instrumento Nº 1 100 pF 101 pF
0,01 0,02
Instrumento Nº 2 100 pF 99.7pF
0,01 0,005
Instrumento Nº 3 100 pF 102 pF
0,01 0,0003
67. Compensación ABIERTO/CERRADO/CARGA
(A/C/C)
Teoría Básica
I1 I2
Impedancia del AB
Instrumento V1 V2 ZDUT DUT
CD
Circuito desconocido
con 2 pares de terminales
68. Compensación A/C/C
Teoría Básica
ZSTD. ZO - ZSM . ZXM - ZS
ZDUT
ZXM - ZS . ZO - ZXM
ZO = valor de la medición a circuito abierto.
ZS = valor de la medición a circuito cerrado.
ZSM = valor de la medición con el dispositivo de carga.
ZSTD = valor verdadero del dispositivo de carga.
ZXM = valor medido del DUT.
ZDUT = valor corregido del DUT.
Estos son vectores complejos. Es necesario la conversión a
componentes reales e imaginarias.
69. Compensación A/C/C
• Elimina los efectos residuales complicados.
• Elimina el error por corrimiento de fase.
• Maximiza la correlación entre instrumentos.
70. Efectos de la compensación A/C/C
3
C-error de medición [%]
2
Compensación A/C
1
Compensación A/C/C
))
(( 600 800 1000
200 400
f (KHz)
71. Procedimiento para compensación A/C/C
1. Medir el dispositivo de CARGA lo más
exacto posible.
Conexión directa del accesorio de prueba.
2. Medir el valor de CARGA en la entrada
como valor de referencia.
72. Procedimiento para compensación A/C/C
3. Efectuar la compensación A/C/C en los
terminales de prueba.
Accesorio de prueba con efectos residuales complejos.
Terminales de prueba.
4. Medir el DUT en los terminales de prueba.
73. Selección del dispositivo de CARGA
Consideración Nº 1
• Cuando se mide DUT´s que tienen varios valores
de impedancia.
Seleccionar un dispositivo de Carga que posea
valores de impedancia entre 100 1 K .
• Cuando se mide un DUT el cual tiene un solo valor
de impedancia.
Seleccionar un dispositivo de Carga cuyo valor
de impedancia esté lo más cercano posible del
DUT a medir.
74. Selección del dispositivo de CARGA
Consideración Nº 2
• Seleccionar cargas resistivas y capacitivas puras y
estables (capacitores con bajo D, por ej. de mica).
• Los valores de la Carga deben conocerse con
exactitud.
78. Resumen
Comparación entre Calibración y Compensación
Teoría
Calibración •Elimina los errores del sistema de instrumentos.
•Define el Plano de Calibración usando el standard CAL.
Corrección del •Elimina los efectos del error del cable.
cable •Extiende el Plano de calibración al extremo del cable.
Compensación •Elimina los efectos existentes de las fuentes de error entre el
Plano de Calibración y el DUT.
Compensación •Elimina los efectos residuales simples de los accesorios.
A/C
Compensación •Elimina los efectos residuales complejos de los accesorios.
A/C/C
80. Instrumentos Accesorios de conexión Compensación
Accesorio Primario Accesorio residual
Secundario
Directo Solamente A/C.
Accesorio de
prueba
Accesorio de prueba Corrección de cable
Analizador de Z directo + A/C
Medidor de LCR
Cable especificado Accesorio complejo Corrección de cable
Scanner,etc. + A/C/C
(4284A, 4285A,
etc.) Accesorio de prueba
Cable no directo A/C/C
especificado
Otros accesorios
Accesorio de prueba A/C o A/C/C
diseñado para la
tarea
