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2014/03 1Page
ネットワーク・アナライザによるインピーダンス測定
キーサイト・テクノロジーアプリケーションエンジニアリング部石井 幹
2016/6/31
DUT
2014/03 2Page
目次
2016/6/32
• ネットアナの各Z測定法の原理と使い分け
• 正確な測定のためのCalibration方法と注意点
• 基本的な測定例 (Zアナライザとの測り比べ)
• 応用的な測定事例
2014/03 3Page
既存ZAの測定法-1: 自動平衡ブリッジ法
2016/6/33
V
-+
2
V1
Zdut
V2 = -Ir Rr
Zdut = V1
Ir=
-V1 Rr
V2
H L
R r
I r
仮想接地
Idut
レンジ抵抗
• 40 Hz ～ 110 MHz (4294A)
• 非常に高いZ測定確度
• レンジングによる非常に広いZ測定範囲(10%確度レンジ： 100 mΩ以下～10 MΩ以上, spec)
• 仮想接地による良好な測定
(V1・V2は高感度にIdut、Zdutを測定、対GND容量の影響も無し。)
• 4端子対 / 7 mm治具使用可能
4294A Zアナライザ
※ 実際はOPアンプではなく、もっと
複雑なフィードバックループ回路によって高周波までの自動平衡ブリッジを実現している。
Idut=Ir
Vdut
2014/03 4Page
既存ZAの測定法-2: RF I-V法
2016/6/34
Source
電圧測定ch
電流測定chTest Head
V
Zdut
Receiver
• 1 MHz ～ 3 GHz (E4991A)
• DUT直近で電流・電圧検出
• 反射法よりも高確度、広いZ測定レンジ(10%確度レンジ: 1 Ω以下～10 kΩ, spec)
• 電圧・電流を同一レシーバで測定し、優れた経時安定度
• 7 mm冶具使用可能
E4991A Zアナライザ
2014/03 5Page
Zx
反射法 シャント-スルー シリーズ-スルー
Zx
Zx
S11
S21
VNAによるインピーダンス測定
2016/6/35
S11
S21
２ポート構成１ポート構成
50
5011
Zx
ZxS 2525
252111
Zx
ZxS
ZxS
100
100
100 2111
ZxS
Zx
ZxS
Port1Port2 Port1Port2 Port1Port2
（Port1と2のZoが50の場合）
S11
2014/03 6Page
インピーダンス変換機能
2016/6/36
Marker MarkerSearch
MarkerFctn
Analysis
変換をONにし機能を選択する
11
110
1111
11
11
1
1
)1()1(
)(
S
SZZx
SZxSZo
ZoZxZoZxSZoZx
ZoZxS
Reflection
)(2
)(2
2))((
)(
2
020121
0201
210201020121
0201020121
0201
020121
ZZS
ZZZx
SZZZZZxS
ZZZZZxS
ZZZx
ZZS
Transmission (シリーズスルー)
逆Sパラメータ = 1/Sab
Y（アドミッタンス）はZの逆数
MKR/ANALYSIS
2014/03 7Page
ネットアナのZ測定法-1: 反射法
2016/6/37
• アナライザ内蔵ブリッジによる反射測定
• 低 ～ 中Z向き (10%確度レンジ: 1 Ω～ 2 kΩ, SPD #1)
• 7 mm冶具使用可能
16201A 7 mm terminal adapter(アナライザのNコネクタを7 mmに変換)
7 mm test fixture
Zdut = 50 x (1+S11)/(1-S11)
ZdutVT VR50 50
50
S11=VT/VR
-300
306090
120150180210
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+
00
1.E+
01
1.E+
02
1.E+
03
1.E+
04
1.E+
05
1.E+
06
S11
ph
ase
(deg
)
DUTのZ値 (Ω)
100 mΩ
1 Ω
10 Ω
100 Ω
1 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
1 MΩ
1 mΩ
10mΩ
50 Ω
感度良く測れる領域(＝ベクトル電圧比測定の振幅、
または位相測定値がダイナミックに変化する領域)
※ リアクタンス性DUTの場合
#1. SPD: Supplemental Perf. Data
2014/03 8Page
ネットアナのZ測定法-2: シリーズスルー法
2016/6/38
• 中～高Z向き (10%確度レンジ: 5 Ω～ 20 kΩ, SPD)
• 4端子対冶具使用可能 (Gain-phaseポート)
• 片線接地DUT測定不可
Zdut
50S21=VT/VR
VR50VT
50
DUT
Zdut = 100(1-S21) / S21
‐100.0
‐80.0
‐60.0
‐40.0
‐20.0
0.0
1.E‐03
1.E‐02
1.E‐01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
S21 or T/R (dB)
DUTのZ値 (Ω)
1 mΩ
10mΩ
100 mΩ
1 Ω
10 Ω
100 Ω
1 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
1 MΩ
50 Ω感度良く測れる領域
※ リアクタンス性DUTの場合
2014/03 9Page
DUT
ZdutVT VR
50
50
50
50
50
S21=VT/VR
• 微小Z測定向き (10%確度レンジ: <1 mΩ to 5 Ω)、
Zアナライザを上回る低Z測定感度
• 自作冶具、プローブによる測定
Zdut = 25xS21/(1-S21)
‐100.0
‐80.0
‐60.0
‐40.0
‐20.0
0.0
1.E‐03
1.E‐02
1.E‐01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
S21 or T/R (dB)
DUTのZ値 (Ω)
1 mΩ
10mΩ
100 mΩ 1 Ω
10 Ω
100 Ω
1 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
1 MΩ
50 Ω感度良く測れる領域
※ リアクタンス性DUTの場合
ネットアナのZ測定法-3: シャントスルー法
2016/6/39
2014/03 10Page
• Sパラメータ測定ポート (5 Hz ～ 3 GHz, 50 Ω)
• ゲイン・フェーズ測定ポート(5 Hz ～ 30 MHz, Zin=1 MΩ / 50 Ω 切替可能)
• 広いダイナミック・レンジ
• 内蔵DCバイアス・ソース(0 ～ ±40 Vdc, 大電流100 mAdc)
• インピーダンス解析機能 (オプション005)
2016/6/310
E5061B-3L5 LF-RFネットワーク・アナライザ
Gain-phase test port
S-parametertest port
RT
Zin
ATT
R1
T1
R2
T2
R
Zin
ATT
T
LF OUT
Port-1 Port-2
DC bias source
E5061B-3L5
Gain-phase test port(5 Hz to 30 MHz)
S-parameter test port(5 Hz to 3 GHz)
Zin=1 MΩ or 50 ohmATT=20 dB or 0 dB
NA
ZA
2014/03 11Page
インピーダンス解析機能 (オプションE5061B-005)
2016/6/311
• インピーダンスアナライザ (ZA) の基本機能を網羅
• Zパラメータ表示
• Calibration + 冶具補正
• 等価回路解析
• 複数の測定法により幅広いZ測定アプリケーションをカバー
反射法(低～中Z向け)
シリーズ法(中～高Z向け)
シャント法(超低Z向け)
E5061BによるZ測定の意義
NA測定とZA測定が一台で行える。
ZA専用機には無い特長を生かした測定：
微小Z測定
広い周波数範囲でのZ測定
高速Z測定
2014/03 12Page
インピーダンス測定範囲の比較
2016/6/312
S21 シャント S21 シリーズ
トレースノイズが影響するエリア
ノイズフロアが影響するエリア
2ポート構成でのS11測定は治具のコネクタと基板の間のVSWRなどが大きく影響する。
測定端子面でリターンロスを十分小さくする必要があるので、Load補正が必ず必要。しかしLoadチップを使用したとしても、実際に-40dBより優れた特性を実現するのは難しい。
よって２ポート構成でのS11はあまり用いられない。
横軸Z[]
1. トレースノイズによるZ測定範囲の制限傾きが大きいほど感度良く測定できます。（インピーダンスの差を検知しやすい）
• S21シャントが低インピーダンス測定向け
• S21シリーズが高インピーダンス測定向け
2.ノイズフロアによるZ測定範囲の制限
• 低インピーダンス測定なら、S11シリーズよりS21シャントの方が制限は厳しくない
3. 治具やコネクタのVSWRによるS11測定の制限
測定Zにおけるネットアナの測定値 Sパラメータ[dB]
S11 シリーズ反射法
S11 シャント
2014/03 13Page
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08 1.0E+09 1.0E+10
DU
T Im
peda
nce(o
hm
)
Freq.(Hz)
Elfin Impedance measurement accuracy (S.P.D)
Port1 Reflection Port1-2 Shunt Port1-2 Series
Sパラメータ測定ポートでのZ測定確度(Z測定確度10%レンジ、Supplemental Performance Data)
1 MΩ
100 kΩ
10 kΩ
1 kΩ
100 Ω
10 Ω
1 Ω
100 mΩ
10 mΩ
1 mΩ
100 uΩ
Port 1-2 シリーズスルー法
Port 1 反射法
Port 1-2 シャントスルー法
1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz
(注2)
注1) 100 kHz以下で10 mΩオーダー以下を測るには、外付コア等を用いてGNDループの影響を取り除く必要あり。注2) この例は測定系の残留Lが20 pHの場合。更に残留Lを小さくすることにより、より低Z領域まで測れる。
(注1)
2016/6/313
2014/03 14Page
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08 1.0E+09 1.0E+10
DU
T Im
peda
nce(o
hm
)
Freq.(Hz)
Elfin Impedance measurement accuracy (S.P.D)
GP Series (T 50Ω_20dB, R 1MΩ_20dB) GP Shunt (T 50Ω_0dB, R 50Ω_20dB)
1 1Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz
1 MΩ
100 kΩ
10 kΩ
1 kΩ
100 Ω
10 Ω
1 Ω
100 mΩ
10 mΩ
1 mΩ
100 uΩ
Gain-phaseシリーズスルー法
Gain-phaseシャントスルー法
ゲイン・フェーズ測定ポートでのZ測定確度(Z測定確度10%レンジ、Supplemental Performance Data)
2016/6/314
注2) この例は測定系の残留Lが20 pHの場合。更に残留Lを小さくすることにより、より低Z領域まで測れる。
(注2)
2014/03 15Page
各Z測定法の使い分け
2016/6/315
主な興味の対象となる周波数
重視するZレンジ
お薦めの測定法 典型的なDUTの例
高周波(100 MHz程度 ～)
中Z域 (1Ω～数kΩ) 反射法 RFインダクタ・コンデンサ、その他 RF受動部品
低Z域 (<100 mΩ) Port 1-2シャント法 高周波バイパスC、PDN
低周波(～ 100 MHz程度)
高Z域 (～数10 kΩ) Gain-phaseシリーズ法 (～30 MHz)
Port 1-2シリーズ法 (～300 MHz程度)小容量コンデンサ、振動子、圧電素子、インダクタ、トランス
中Z域 (1Ω～数kΩ) 反射法 インダクタ、トランス、振動子
低Z域 (<100 mΩ) Gain-phaseシャント法 (～30 MHz)
Port 1-2シャント法 (100 kHz～)
DC-DCコンバータ、大～中容量バイパスC、PDN
• 非常に高い確度で測りたい場合 (Z確度 < 1 %)
• High-Q (>100)、Low-D (<0.01) デバイスの損失分 (X成分に比べて極めて小さいR成分) を正確に測りたい場合
• |Zdut| > 数10 kΩの高インピーダンスを正確に測りたい場合
X=-1/(2*pi*f*C)
Rs
DUTのZベクトル
D=1/Q=Rs/X
4294A/E4991A Zアナライザをお薦めするケース
測定誤差
E5061BのZ測定法の使い分けお薦め
2014/03 16Page
目次
2016/6/316
• ネットアナの各Z測定法の原理と使い分け
• 正確な測定のためのCalibration方法と注意点
• 基本的な測定例 (Zアナライザとの測り比べ)
• 応用的な測定事例
2014/03 17Page
2-portネットワーク測定のCalibration
2016/6/317
Port1 Port2
Open
Short
Load
Open
Short
LoadS11 S22
Port1 Port2
Thru
S21
S12
Port1 Port2
Thru
S21
2-port full cal(SOLT cal)
Response Thru cal
測定系の振幅と位相シフト(伝送トラッキング) 誤差を取り除く。
測定系の全ての双方向伝送反射誤差要因を取り除く。(伝送/反射トラッキング、ソース/ロードマッチ、方向性)
2014/03 18Page
Sパラ領域ではなくZ領域でのOpen/Short/Load Cal(Impedance Calibration)
2016/6/318
Zx= Zm - B
1 – C ZmAZx
Vi
Vv
ベクトル電圧比を測る線形な測定系(反射法、シリーズスルー法、シャントスルー法、etc)
複素Z値が既知である3つのスタンダード
(= 通常はOpen/Short/Load) のZを測ることにより
測定系をモデリングする複素係数A、B、Cが求まり、
未知のDUTのZが測れるようになる。
Zm：生のZ測定値
Zx：被測定物の真値
測定系に求められる条件：
• 十分な線形性を持つ。 (コンプレッション・歪みを起こしていない。)
• 3つのスタンダードの違いが電圧測定値としてはっきりと見分けられる。
• 特にLoadは十分安定に測れること。
E5061B-005のCalibrationメニュー
2014/03 19Page
反射法での典型的なCal方法
2016/6/319
7 mm冶具
Open/Short補正残留Zと浮遊C
50 Ω同軸経路で生じる位相シフト 電気長補正 (Port extension)
7 mmコネクタ Open/Short/Load cal(＋ オプショナルで
Low-loss capacitor cal)
16201ATerminal adapter
ToPort-1
セミリジッドケーブル注) Low-loss capacitor cal：Open/Short/Loadに加え、理想的な位相90°とみなせるエアキャパシタ終端を測り、高周波におけるLoad終端の位相不確かさを改善。
2014/03 20Page
反射(Reflection)法の治具
2016/6/320
測定面
校正面
ポート延長
Open状態 Short状態
S11のGroup Delayにし、SpanのCenter周波数でのDelay値を２で割った値とします。
2014/03 21Page
治具の誤差モデル
2016/6/321
シャントスルーやシリーズスルーの測定は２ポート測定ですが、測定値は全てインピーダンスとして扱います。従って、インピーダンス・アナライザと同様に１ポート測定での誤差モデルとして捉えます。
DU
T
テスト・ポート電気長補正 治具の残留インピーダンス
治具部分
オープン時のアドミタンス(Y open)、ショート時のインピーダンス(Z short)が求まれば、インピーダンス・アナライザと同じOpen/Short補正式を用いて補正係数を求めることができます。
2014/03 22Page
シリーズスルー法での典型的なCal方法
2016/6/322
Zdut50 Ω
4端子対冶具先端でOpen/Short/Load cal
open
Short
Gain-phaseシリーズ (5 Hz～30 MHz)： O/S/L cal
HcHpLc Lp
1 MΩ入力
T R LF OUT
50 Ω入力
DUTPort extension
SOLT cal
さらに、浮遊CをOpen補正で取り除くことも可能。
Port 1-2シリーズ (5 Hz ～ 数100 MHz)： O/S/L cal、または SOLT cal + PE (+ O/S補正)
ソース
E5061B-72050 Ω抵抗セット
2014/03 23Page
シリーズ・スルー治具
2016/6/323
測定面
校正面 校正面
ポート延長 ポート延長
校正面から測定面までの位相シフトを各ポートごとに電気長補正した後、Open時、Short時の残留インピーダンスを求め、そこから補正係数を求めます
Open状態 Short状態
S21のGroup Delayにし、SpanのCenter周波数でのDelay値を２で割った値とします。
測定面
2014/03 24Page
ソース側での不整合ロード（レシーバー）側での不整合
伝送経路での周波数特性
Frequency
b0(Test) b3(Test)a0(Ref)
方向性
反射経路での周波数特性
Frequency
反射トラッキングソースマッチ ロードマッチ
伝送トラッキング
a1
b1 b2DUTケーブル
アダプタケーブルアダプタ
2-portネットワーク測定の誤差要因(片方向のみを示す)
2016/6/324
2014/03 25Page
シリーズスルーZ測定でのSOLT calの代替案
2016/6/325
Port1 Port2
Open/Short/Load
S11
Port1 Port2
Thru
S21
Enhanced response calを行う(= 片方向測定のみ、ロードマッチの影響は取り除けない。)
)(2
020121
0201 ZZS
ZZZdut
Z01= 50 Ω,
Z02= 上記で測定したZ02(f)
Port1 Port2
DUT
Port-1、Port-2が独立したシステムZを持つ場合のシリーズスルーZ算出式を用いて、DUTのZを測定する。
片方向測定のみでロードマッチの影響を取り除ける。• 高速測定可能。• 安価な伝送/反射テストセットNAを使用可。
Port1 Port2
Z02(f)
Port-2側ケーブルの
入力インピーダンスZ02(f)を測る。
2014/03 26Page
シャント・スルー治具
2016/6/326
測定面
校正面 校正面
ポート延長 ポート延長
校正面から測定面までの位相シフトを各ポートごとに電気長補正した後、Open時、Short時の残留インピーダンスを求め、そこから補正係数を求めます
Open状態 Short状態
S21のGroup Delayにし、SpanのCenter周波数でのDelay値を２で割った値とします。
2014/03 27Page
シャントスルー法での典型的なCal方法
2016/6/327
Open Short 50 Ω
Gain-phaseシャント (5 Hz～30 MHz)：
Thru
DUT
a) スルーcalのみ
b) Open/Short/Load cal
|Z|、あるいはZベクトルの大きい方 (L、C) のみを測る場合には、簡単なスルーcalのみで実用上十分な精度が得られる。
より精度を向上したい場合 (主に1 Ω以上のある程度大きいZ領域において) には、スルーcalではなくOpen/Short/Load calを行う。
Port 1-2シャントによる数100 MHz～GHz帯までの高周波測定：SOLT cal + PE、または冶具先端でのSOLT cal
Port extension
SOLT calDUT
ISS stds
2014/03 28Page
シャントスルー法でのコンタクト
2016/6/328
2ポート・コンタクト（推奨）：コンタクト接触抵抗RcがZdutに直列にではなく、アナライザのシステム・インピーダンス=50 Ωに直列に入るので、測定に影響しにくい。
• 接触抵抗だけでなく、(a)、(b)の区間の残留インピーダンス等の余計な成分の影響も出にくい。
• ただし、周波数が高くなると、この区間の位相シフトの影響は出るので、スルーcalの場合はこれと同じ長さのスルーをDelayゼロとして用いる、あるいはSOLT calの場合はPort extensionを行うことで、電気長を補正する。
Zdut(微小Z)
Rc Rc
Port-2 (50 Ω)
Port-1 (50 Ω)
(a) (b)
1ポート・コンタクト：接触抵抗Rcと1ポート区間(c)の残留インピーダンスZsがZdutに直列に入ってしまう。
Zdut(微小Z)
Rc
Zs(c)
この構成で出来るだけZdutを正確に測るには、
• Rcを出来るだけ小さくする。(半田付けによるコンタクトが望ましい。)
• 区間(c) を極力短くし、ZsがZdutよりも小さくなるようにする。
• Zdutの代わりにShortを接続した状態でShort補正を行い、Zsの影響を差し引く。
• DUTを接続しZdutを測定する。
(a) (b)
2014/03 29Page
出来るだけ正確な測定を行うための注意点
2016/6/329
共通事項 • レシーバの微かなコンプレッション / 歪みの影響が出ないリニアリティ良い領域で測るために、ソースレベルは控え目にする。(Calibration測定時、DUT測定時にレシーバにあまり大きなレベルが入らないようにする。)
Sパラ領域での誤差が拡大されやすい反射法では、0 dBm以下が望ましい。
High-Q / Low-DデバイスのX成分に比べて極めて小さいR成分を測る場合は、-10 dBm以下が望ましい。
(反射法、Gain-phase / Port 1-2シリーズ法、Port 1-2シャント法の場合。)
シリーズスルー法
• 4端子対冶具を用いる場合、Load cal用50 Ω抵抗をしっかりと再現性良く固定できる冶具を用いる。 (リードDUT：16047E、SMD：16034E/G/H)
シャントスルー法
• Open/Short/Load calを行う場合、ShortのRとLを定義値に入れて、mΩレンジでの「引き過ぎ」が起きないようにする。ShortのR-L定義値は、スルーcalのみでのGain-phaseシャント法でShortをDUTとして測って得られるおよその値を入れるのが簡単で無難。
• 外皮抵抗が非常に大きくなる傷んだケーブルや緩んだコネクタは使わない。（セミフローティング・レシーバや外付けコアの効果が薄れるため）。
• 10 MHz以上でのプロービングによる微小Z測定では、2本のプローブ間のカップリングによるインダクタンス追加誤差を出来るだけ減らす。 (補足資料参照)
• 接触抵抗の影響が出にくい2ポート・コンタクトにする。
2014/03 30Page
目次
2016/6/330
• ネットアナの各Z測定法の原理と使い分け
• 正確な測定のためのCalibration方法と注意点
• 基本的な測定例 (Zアナライザとの測り比べ)
• 応用的な測定事例
2014/03 31Page
反射法での100 nHインダクタ測定
2016/6/331
4294A
‐1.5E‐07
‐5.0E‐08
5.0E‐08
1.5E‐07
2.5E‐07
3.5E‐07
1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09
Reflection
E4991A
0
10
20
30
40
50
60
1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09
Reflection
4294A
E4991A
E5061BReflection
E5061BReflection
10 kHz 100 k 1 M 10 M 100 M 1 GHz
E5061B設定：周波数 = 10 kHz ～ 3 GHzSource = －10 dBm, IFBW = 30 HzOSL & Low-loss-C cal + Port ext. + OS補正
4294A (AVG=4)
4294A (AVG=4)
E4991A (AVG=8)
E4991A (AVG=8)
10 kHz 100 k 1 M 10 M 100 M 1 GHz
|Z| Phase
LsQ
1 kΩ
1 Ω
100 nH
100 Ω
Q
Ls (H)
Ls、Q値ともに4294A (～110 MHz)、E4991A (1 MHz～) と良く一致している。
従来のZAでは行えない広帯域での測定
2014/03 32Page
反射法、シリーズ法での2 pFコンデンサ測定
2016/6/332
2.25E‐12
2.30E‐12
2.35E‐12
2.40E‐12
2.45E‐12
2.50E‐12
2.55E‐12
2.60E‐12
2.65E‐12
1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09
Reflection
Port 1‐2 Series
E4991A
E4991A
‐0.020
‐0.015
‐0.010
‐0.005
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09
Port 1‐2 Series
Reflection
6.7 kΩ
10 MHz
|Z| Phase
Cp D
1 MHz 10 M Hz 100 MHz 1 GHz
1 MHz 10 M Hz 100 MHz 1 GHz
10 MHz
300 MHz
Cp (F)
D
E5061B設定：周波数 = 1 MHz ～ 1 GHzSource = －10 dBm, IFBW = 30 Hz
反射法OSL cal + Port ext. + OS補正
Port 1-2シリーズ法SOLT cal + Port extension + Open補正
E4991A (AVG=8)
E4991A (AVG=8)
10 MHz
kΩオーダー以下の領域で反射法はE4991Aと良く一致している。
シリーズ法は1 MHz付近の高|Z|域での測定SNRがE4991Aを上回っているが、300 MHzを超える高周波では誤差が出ている (Calの不完全さによるもの)。
2014/03 33Page
‐0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07
GPseries
4294A
Gain-phaseシリーズ法での10 nFコンデンサ測定
2016/6/333
7.0E‐09
7.5E‐09
8.0E‐09
8.5E‐09
9.0E‐09
9.5E‐09
1.0E‐08
1.E+02 1.E+04 1.E+06
GPseries
4294A
E5061B設定：周波数 = 100 Hz ～ 10 MHzSource = 0 dBm, IFBW = Auto / 20 Hz-limitCalibration : Open/Short/Load cal
100 Hz 1 k 10 k 100 k 1 M 10 MHz
100 Hz 1 k 10 k 100 k 1 M 10 MHz
17.7 kΩ
1 kHz
Cp (F)
D
|Z| Phase
Cp D
|Z| が大きくバラつきが出ている低周波域を除くと、Cpは1%以内で4294Aと相関取れている。
4294A (AVG=4)
4294A (AVG=4)
E5061BGP-series
E5061BGP-series
2014/03 34Page
シャント法での200 μFコンデンサ測定
2016/6/334
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
GPshunt (Thru)
GPshunt (OSL)
Port 1‐2 shunt
4294A
‐5.0E‐05
0.0E+00
5.0E‐05
1.0E‐04
1.5E‐04
2.0E‐04
2.5E‐04
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
GPshunt (Thru)
GPshunt (OSL)
Port 1‐2 shunt
4294A
|Z| Phase
Cs
Rs
1 k 10 k 100 k 1 M 10 MHz
1 k 10 k 100 k 1 M 10 MHz
Cs (F)
Rs (Ω)
100 mΩ
10 mΩ
100 mΩ
10 mΩ
200 uF
E5061B設定：周波数 = 1 kHz ～ 10 MHzSource = －10 dBm, IFBW = Auto / 20 Hz-limit
Gain-phaseシャント法Thru cal、もしくはOSL cal TポートATT : 0 dB
Port 1-2シャント法SOLT cal + Port ext.外付けコア使用(Metglas 社製Finemet F7555G)
Cs、Rsともに4294Aと相関取れている。
測定SNRはE5061Bの方が優れている。
4294A (AVG=8)
4294A (AVG=8)
スルーcalの場合10 MHz以上で誤差が出ている。
2014/03 35Page
E5061B Gain-phaseシャント法周波数 = 100 Hz ～ 10 MHzSource = 10 dBm (測定時), －10 dBm (Thru cal時)IFBW = 10 Hz, RポートATT=20 dB, TポートATT=0 dB
( ※ この測定例では Z-conversion機能で|Z|をプロットしている。)
4294A + 42941A (= 1ポート測定)
周波数 = 100 Hz ～ 10 MHzSource=0.5 Vrms, Averaging =4
2 mΩ
0 mΩ
4 mΩ
|Z| (Ω) |Z| (Ω)
2 mΩ
0 mΩ
4 mΩ
SMA
10 mΩ抵抗 x 4
10 mΩ抵抗 x 4
10 mΩ抵抗8枚並列≒トータル1.3 mΩ
Tポートのアッテネータ設定を0 dBにし、かつDUT測定時にはソースレベルを 大の10 dBmに設定することにより、非常に良い測定SNRが得られている。
Gain-phaseシャント法での1 mΩ抵抗測定
2016/6/335
2014/03 36Page
VNA vs. ZA/LCR
2016/6/336
• 測定スピードが速い 0.1～1ms/point• 高周波まで測定ができる 6GHz程度• 2端子でも微小インピーダンスが測定できる
• マルチポート：測定系がシンプル
VNAメリット
• 測定スピード 5～10ms/point• 周波数：3GHzまで• 2端子だと接触抵抗の影響が出る
• マルチポート：自動平衡ブリッジ型は測定系が複雑
ZA/LCRデメリット
• Z測定の範囲が広くない• 高Q/低Dデバイス測定には向かない• Z値の確度はない(E5061Bを除く)
VNAデメリット
• Z値の測定範囲が広い• 高Q/低Dデバイスが測定できる• Z値の確度が示されている
ZA/LCRメリット
高Qでないデバイスのうち、LCRメータの結果と相関を確認できたものを高速に測定する
VNAが活躍するケース
2014/03 37Page
目次
2016/6/337
• E5061Bの各Z測定法の原理と使い分け
• 正確な測定のためのCalibration方法と注意点
• 基本的な測定例 (Zアナライザとの測り比べ)
• 応用的な測定事例
2014/03 38Page
回路のインピーダンス測定反射法
2016/6/338
SMA RFケーブル ＋ 42941A Z-probe用プローブヘッドによる手軽なハンドプローブ
• 使用可能周波数：～100 MHz程度
• RFIDアンテナパターンなど、PCB上に形成された素子・回路のインサーキットZ測定に。
42941A用プローブヘッド
SMA(f)-SMA(f)
SMA(m) ケーブル (非金属被覆)
OSL cal
Open/Short補正
To Port-1
ケーブルの非金属部分を保持
|Z|Phase
Ls
Q
1 kΩ
3 kΩ
1 uH
PCB上のLC共振回路測定例 (1 MHz～60 MHz)
2014/03 39Page
回路のインピーダンス測定Gain-phaseシャント法：DC-DCコンバータ 出力インピーダンス
E5061B設定：周波数 = 100 Hz ～ 10 MHzT: Zin=50 Ω, ATT=0 dBR: Zin=50 Ω, ATT=20 dBSource=10 dBm, IFBW=10 Hz(Thru cal実行時はSource=－10 dBm)
Load
Powersupply
R&T : 50 Ω入力
DUTFeedback Loop
DUTの出力電圧が5 Vdc以上のときは、50 Ω入力のGain-phaseレシーバ・ポートへの過入力を防ぐため、1 mFコンデンサを入れてDCカット。
100 mΩ
10 mΩ
1 mΩ
|Z||Z|
コンバータOFF時 コンバータON時
DUTの出力ポートにSMAレセプタクルを2ポートコンタクトで半田付け
10 MHz10 Hz
2016/6/339
2014/03 40Page
回路のインピーダンス測定Port 1-2シャント法： CPUボードの高周波PDN Z測定
2016/6/340
1 mΩ
バイパス・コンデンサ
バルク・コンデンサの一つを外したスルーホールに、ボードの裏表からSMAレセプタクルを半田付け。 (裏表からのコンタクトでプローブ間カップリングを回避。)
GNDループの影響を回避するため、テストケーブルにコアを装着。
GNDプレーン
Vddプレーン
E5061B設定 :測定周波数 = 100 Hz ～ 1 GHzSource=10 dBm, IFBW=Auto / 100 Hz limit同軸面でのSOLT cal + Port extension
10 mΩ
100 mΩ
To Port-1
To Port-2
これらのビア・インダクタンスは2ポート区間にあるので、プレーン間|Z|測定値に影響を与えない。
100 MHz
|Z|
100 Hz
2014/03 41Page
シャント法と反射法を併用してmΩオーダーからkΩオーダーまでを測定する手法
2016/6/341
1) シャント冶具を用いてシャント法でDUTを測る
Gain-phaseシャント法の場合
• 反射法と値を近くするには、Open/Short/Load calを行って測定系をしっかりcalする。
Port 1-2シャント法の場合
• 100 kHz以下で100 mΩ以下を
測る場合には、コアを使用する。
• CalはSOLT cal + Port extension。
3) |Z|=数Ω～50Ωの適当なところで、シャント法の低Z領域データと、反射法の高Z領域データをつなぎ合わせる。
シャント法
反射法
|Z|
|Z|
|Z|
つなぎ合わせる
Port extensionOSL cal
2) 同じ冶具を用いて反射法でDUTを測る
Open補正
Short補正
反対側には何も接続しない。
DUT測定
反対側のコネクタの容量も含めた浮遊容量を補正。
Short定義値は、スルーCalでのGain-phaseシャントで測ったShort R-L値を設定。
2014/03 42Page
70
80
90
1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09
Reflection
Port 1‐2 Shunt
GP Shunt (OSL cal)
GP Shunt
(Thru cal)
1.E‐03
1.E‐02
1.E‐01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09
Reflection
Port 1‐2 Shunt
GP Shunt
(OSL cal)
GP Shunt
(Thru cal)
1 μHインダクタ測定例
2016/6/3
10 kΩ
1 kΩ
100 Ω
10 Ω
1 Ω
100 mΩ
10 mΩ
1 mΩ
|Z|
Phase
|Z| = 数Ω～50Ω辺りの領域で
シャント法と反射法の測定データは、振幅・位相共に良く一致しており、ここでデータをつなぎ合わせられる。
Gain-phaseシャント法を用いる場合は、スルーcalではなく、Open/Short/Load calを行ったほうが良く一致。
E5061B設定 :Freq = 100 Hz～500 MHzSource = －10 dBmIFBW = Auto/20 Hz-limit
100 Hz 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M 100 MHz
100 Hz 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M 100 MHz
使用した冶具
2014/03 43Page
シリーズスルー法の高Z測定レンジ拡大
2016/6/343
10 kΩ抵抗
短いBNCケーブル
4端子対冶具
VT
50T/R=VT/VR
Zdut
VT1 MΩ10 kΩ
注) 実際の受け側のZは、1 MΩレシーバ入力容量30 pFとケーブルの容量がR=10 kΩに並列に入り、1 MHz近辺の高周波では10 kΩより小さくなる。
T、Rともに1 MΩ入力
10 kΩ
open
short
Calibration
‐100
‐80
‐60
‐40
‐20
0 1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.E+07
1.E+08
T/R 測
定値
(dB)
DUTのZ値 (Ω)
1 Ω
10 Ω
100 Ω
1 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
1 MΩ
10 MΩ
100 MΩ
• 50 Ωではなく10 kΩで受け、高感度なレンジを高Z域にシフト。 (Tレシーバを1 MΩ入力にし、10 kΩ抵抗を外付け。)
• Open/Short/Load calは、あらかじめ通常の50Ω受けシリーズ法で値付けしておいた10 kΩ抵抗で行う。
(R-X値のF特をLoad std定義値にテーブルとして流し込んでおく。E5061B-005 専用コマンドで可能。)
2014/03 44Page
10 pFコンデンサ測定例
2016/6/344
7.50E‐12
8.50E‐12
9.50E‐12
1.05E‐11
1.15E‐11
1.25E‐11
1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
GPseries
(T=10 kohm)
7.50E‐12
8.50E‐12
9.50E‐12
1.05E‐11
1.15E‐11
1.25E‐11
1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
4294A
10 MΩ1 MΩ
100 kΩ
10 MΩ1 MΩ
100 kΩ
E5061B設定周波数 = 100 Hz～1 MHzSource = 0 dBm, IFBW = 10 Hz
通常のシリーズスルー法 (T :50 Ω受け) T :10 kΩ受けのシリーズスルー法
|Z| |Z|
Cp Cp
10 MΩ以上まで安定に測れている。
4294Aとの値の相関も十分。
Cp
[F]
100 Hz 1 k 10 k 100 k 1 MHz
2014/03 45Page
インピーダンス過渡応答観測への応用
2016/6/345
10 kΩ
open
short
Calibration(IFBW=10 Hzで実施)
DUT 10 kΩ
|Z|
Cp
41800A Active probe(Zin=100 kΩ//3 pF)
DUT : 2.8 pFコンデンサ
周波数=1 MHzゼロスパン, NOP=1601, IFBW=10 kHzSource = －10 dBm
2.78 pF
± 20 fF
57.4 kΩ
1601点、掃引所要時間160 msec(1点あたり100 μs)
• 入力Cの小さいアクティブ・プローブを用いて、ケーブルの先端で高入力Zを実現。
• 57 kΩという高Zが広いIFBWで高速に連続測定できている。
• インピーダンス過渡応答の観測に。
2014/03 46Page
Large AC印加Z測定
2016/6/346
50
VＲ1 MΩ
1/N2 1/N1
× N
ZinZout
外付分圧回路でV1、V2をレシーバ 大測定可能レベル(1.78 Vpeak 、ATT=20 dB 時 ) 以下に落とす。
RcIdutの 大値に耐えられる電流検出用ハイパワー抵抗
Zdut
V2 = R x IdutIdut
50 Ω
open
Short
アンプの出力レベルを50 Ω抵抗が焼損しない
レベルに絞ってOpen/Short/Load cal
外部パワーアンプ
外部アンプを用いてソースレベルを拡大
• Gain-phaseシリーズ法でR、Tポートともに1 MΩ入力に設定。
• 大ACレベル：～50 Vrms / 1 Arms程度(使用するアンプによる)
• コンデンサ、パワー・インダクタ、圧電素子などのハイパワー特性評価に。
LF OUTR
VT
1 MΩ
T
E5061B-3L5/005
2014/03 47Page
NF HSA4101Bipolar amp.Zin=50 ΩZout=1.5 Ω+0.5 uH
(1.8 Ω @100 kHz)
OutputInput
R (1 MΩ//30 pF, ATT=20 dB)
LF OUT
DUT (36 uH )
R1R2
C11/50 分圧器R1=464 kΩ, 0.25WR2=10 kΩ, 0.25W(C1: stray-C of R1)
T (1 MΩ//30 pF, ATT=20 dB)
R1R2
C1
Rc=1.1 Ω, 4W(2.2 Ω / / 2.2 Ω)
E5061B-3L5/005
CW = 100 kHz でのパワー掃引Source = －20～8 dBm (0.225～.58 Vrms @50Ω)
アンプ = 50倍 (出力 = 1.12 ～29 Vrms)
ソース7 dBm出力時に約1 Arms流れる。
(|Zdut| + Zout + Rc = 約25 Ω、アンプ出力 = 25 Vrms)
1/11 分圧器R1=147 k Ω, 0.25WR2=14.7 kΩ, 0.25WC1=2.7 pF Ls Rs
|Z|
22.9 Ω
RポートAC電圧
7 dBm
35.8 uH
36.4 uH
パワー・インダクタ測定例
2016/6/347
2014/03 48Page
本測定の前に、TポートでVdutをモニタして、Zdutの大きさによらず均一にAC電
圧がかかるような掃引テーブルを作成。
Initial source setting
Freq-1 -30 dBmFreq-2 -30 dBm
: :
Freq-N -30 dBm
AC level across DUT
-33 dBm-34 dBm
:
-40 dBm
Next source setting
(-30 + 3) dBm(-30 + 4) dBm
:
(-30 + 10) dBm
a) 各セグメントのソース設定をターゲットレベルにとりあえず設定。
b) Vdutを測定。 c) 各セグメントのソース設定値を調整しVdutが均一になるようにテーブル変更。
Trig Trigステップb、cを数回繰り返した後、Open/Short/Load calを行ってからDUTを測定。
Ri=10 to 50 ohm
T-conn
Ri
1 MΩ入力を用いたシャント法でDCバイアス電圧とコンスタントAC電圧を印加
2016/6/348
もしくはpower splitter
50
Ri (=50 to 100 ohm)
50
+Zdut
Vdut VR1 MΩVT1 MΩ
2014/03 49Page
DCバイアス電圧 + コンスタントAC電圧レベル印加での大容量MLCC測定例
2016/6/349
測定周波数: 100 Hz to 10 MHzACレベル: DUTに 5 mVrms 均一印加
DCバイアス: 0 to 5 Vdc
コンスタントAC電圧印加
測定周波数： 100 Hz ～ 10 MHzACレベル： 10 dBm 固定値に設定
DCバイアス：0 ～ 5 Vdc
Cs |Z|
DUTにかかるAC電圧均一でない。
2014/03 50Page
5 Aまでの電流バイアス重畳Z測定
2016/6/350
16200B DC bias adapter
DC current 7 mm Test fixture
Bias=0 A
0.5 A1 A 2 A|Z| (ohm)
100 Ω
160 Ω
16200B DCバイアス・アダプタを用いての反射法(1 MHz～1 GHz、 大5 Adc)
フェライトビーズ 電流重畳測定例周波数 = 1 MHz ～ 1 GHzDCバイアス = 0 ～2Adc
16201A terminal adapter
16200B
2014/03 51Page
Ydut
DUT
S11 S21 S22
To E5061Bport-1
To E5061B port-2
Y1 Y2
DC block
Bypass-C
DC currentsource
Chokecoil-1
DC current
Chokecoil-2
S12
自作cal stdsでの2-port full cal
PIネットワーク法 (100 kHz～ 100 MHz程度)
Zdut = 1/Ydut = 50((1+S11)(1+S22)-S12S21)/(2S21)
5 Aを超える電流バイアス重畳Z測定
2016/6/351
1 uHパワー・インダクタ測定例
1 MHz 10 MHz 100 MHz
DUTだけでなく2つのチョークコイルも含めたトータル回路のフルSパラを各バイアスレベルで
毎回測ることにより、バイアスによるチョークコイルのZ値変動を補正しつつZdutを抽出する。
Choke coilはDUTと同じ物を使用。
2014/03 52Page
まとめ
2016/6/352
• ネットアナのZ測定能力を 大限引き出すには、
測定対象に応じて 適な測定法を選択する。
適切な冶具・ケーブルを用いる。
測定条件設定、校正、プロービングなどに気を付ける。
• ちょっとした工夫と、外部機器や簡単な付加回路の併用により、さらに広いZ測定アプリケーションに対応できる。
2014/03 53Page
補足資料
2016/6/353
2014/03 54Page
PCBの片面から近接した点に2本のプローブを当てるシャントス
ルー・プロービングによる自己インピーダンス測定では、プローブ先端のループ同士のカップリングによるインダクタンス追加誤差が避けられない。
10 MHz以上におけるPDNインピーダンス測定での追加誤差となる。
電流ループ
Probe-1Probe-2
インダクタンス追加誤差を軽減するには：
a) 先端剥き出し部分の電流ループ面積を小さくする。
プローブ・ピン長は出来るだけ短く。
直径の小さいプローブを使う。
b) プローブをなるべく寝かせ気味にしてループ同士を
遠くする。
c) プローブ・コンタクト・ポイント同士を可能な範囲で
なるべく離す。(興味の対象となる 大周波数の波長に比べ十分短い距離で。)
磁界
ピン長をカットしていないSMAレセプタクル。ループ面積大きくなるので、
高周波での片面からのシャントスルー・プロービングには不向き。
ピン長の短いSMAセミリジッド自作プローブ。ループ面積小さい。
×
Zdut
片面からのシャントスルー・プロービングでのプローブ間カップリング
2016/6/354
2014/03 55Page
20 Log(|Z|) (dB)
|Z| (ohm)
Capacitance (F)
DUTにかかるACレベル( =20*Log (Vdut^2/50) )
DUTにかかるACレベルが均一ではない。
(a) ソース設定 = 10 dBm固定 (b) 均一AC電圧印加 (5 mVrms at DUT)
この区間で 5 mVrmsがDUTに均一に印加されている。
プリ掃引で作成された均一AC電圧印加テーブル
201 segments100 Hz to 10 MHz.
セグメント掃引機能を活用してコンスタントAC電圧を印加
2016/6/355
2014/03 56Page
Ri=100 ohm / 2 W(high-power resistor)
Input Output
Gain = x10 (=20 dB)
10:1 passive probe
この区間で10 mVrms がDUTにかかっている。
Capacitance (F)
DUTにかかるAC電圧( =20*Log(Vdut^2/50) )
Coaxcable
Coaxcable
4-quadrature amplifier(NF HSA4101, DC to 10 MHz
Zin=50 ohm, Zout=1.5 ohm + 0.5 uH )
T: Zin=1 MohmR: Zin=1 Mohm
外部アンプを用いて、より高いレベルのコンスタントAC電圧を印加する例
2016/6/356
2014/03 57Page
PIネットワーク法の測定精度
2016/6/357
8.50E‐07
9.00E‐07
9.50E‐07
1.00E‐06
1.05E‐06
1.10E‐06
1.15E‐06
1.20E‐06
1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
PI method
4294A 4294A
8.00E‐08
8.50E‐08
9.00E‐08
9.50E‐08
1.00E‐07
1.05E‐07
1.10E‐07
1.15E‐07
1.20E‐07
1.25E‐07
1.30E‐07
1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
PI method
100 kHz 1 M 10 M 100 MHz 100 kHz 1 M 10 M 100 MHz
1 uHインダクタ 100 nHインダクタ
Ls (H) Ls (H)
インダクタ2種類のLs値を、E5061BによるPIネットワーク法と4294A Zアナライザで測り比べた例 (DCバイアス無し)。
4294Aと2%以内の相関が取れている。 4294Aと5%以内の相関が取れている。
• PIネットワーク法に非常に高いL測定精度は期待できないが、大電流重畳時の飽和具合をチェックする目的には十分な精度は得られる。
• 出来るだけ精度よく測るには、|Zdut|=ωLdut が50 Ωからあまり離れていない小さすぎず大きすぎない値(数Ω～100Ω程度) になるような周波数で測るのが望ましい。(S11 & S22測定 とS21 & S12測定のいずれも調子よく行えるように。)
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VT
VR
Rc2
V=Vc2(=Va)
Vo
理想的なリターンパス
理想的には VT = Vo, しかし実際には …
100 kHz以下の低周波領域では、シャントに接続された低インピーダンスDUT を通して外皮に流れたソース信号が、ソース側の外皮リターンパスだけでなく、Tポート・レシーバ側の外皮にも流れ込んでしまう。外皮抵抗Rc2で電圧Vc2を生じ、測定誤差となる。
Rc1Zdut
DUTの本当の|Z|値
|Z| 測定結果
error
Freq
ソース信号がTch側の外皮に流れ込む。
Va(= ソース信号による外皮のゆらぎ )
VT = Vo + Vc2
誤差
他のネットアナ同様、レシーバがシャーシGNDにつながっているため、「テストケーブルGNDループ」の問題が起きる：
Sパラポート (Port 1-2) を使って低周波で微小Zを測ると
2016/6/358
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• 低周波まで誤差を取り除くには、コアを沢山入れる、または大きなコアを入れて外皮インピーダンス|Z|=ωLを非常に大きくする必要あり。
• 良いコアを入手するのはなかなか難しい。
• フラットな|Z|特性ではないDUTの場合、十分コアが効いているのかどうか、判断難しい。
VT
VR
Vo
Core Core
コアによる改善
Freq
Zdut
Rc2 Rc1
DUTの本当の|Z|値
|Z|測定結果
Coax cable
Photos courtesy of Istvan Novak
大きくて強力なトロイダルコアを入れるか、
もしくは
コアをびっしり入れる。
Sパラポートでの解決策- テストケーブルにコアを装着
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セミフローティング構造のR、Tレシーバ「テストケーブルGNDループ」を遮断
VT
VR
Rc2Vo
AC current
T port
Zg
R port
LF OUT
V=Vc2
Va
Zg
VT = Vo + Vc2= Vo + Va x Rc2/(Zg+Rc2)= Vo
( Zg >> Rc2)
Freq
DUTの本当の|Z|値
|Z|測定値
|Zg| = 低周波域で約30 Ω
Rc2 = 10 mΩ ～ 数10 mΩ程度
コアを用いずに、低周波微小Z測定が簡単かつ正確に行える。
Zdut
Gain-phaseテストポートではコア無しで低周波微小Zが測れる
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