Consideraciones al cambiar mediciones de baja capacitancia

Un sistema de ensayo automatizado (ATS) utilizado para realizar mediciones de baja capacitancia consistirá probablemente en los siguientes equipos:

• DMM o dispositivo de medición de capacitancia como un LCR Meter
• Interruptores para encaminar señales desde un dispositivo de ensayo al dispositivo de medición
• Dispositivo de prueba para sus dispositivos bajo prueba (DUT)
• Cableado para conectar cada uno de los componentes anteriores

Los requisitos del sistema de medición, como la precisión, la velocidad y el número de DUT, dictan el equipo y el cableado que se pueden utilizar dentro del ATS. A medida que los requisitos se vuelven más estrictos, las técnicas generales de medición de casos de uso y las configuraciones de conmutación ya no ofrecen un rendimiento adecuado. Las técnicas recomendadas y las configuraciones especializadas en este tutorial se pueden emplear para lograr los resultados deseados.

Hay muchas consideraciones a tener en cuenta al planificar una medición de capacitancia de bajo nivel. La siguiente información aborda las consideraciones más comunes.

Selección de hardware

Una opción para el dispositivo de medición de capacitancia es el NI PXI-4072 (NI 4072). El NI 4072 es un multímetro digital (DMM) de 61⁄2 dígitos que tiene un medidor LCR incorporado para medir la inductancia y la capacitancia. Tiene capacitancias que van desde 300 pF hasta 10.000 uF y puede medir con una resolución tan baja como 0,05 pF. Para obtener más información sobre cómo realiza las mediciones de capacitancia e inductancia, consulte Medidas de capacitancia/inductancia.

Después de seleccionar un dispositivo de medición de capacitancia, decida cómo enrutar las señales de prueba a este dispositivo. Un enfoque rentable y estandarizado es incorporar conmutación en el extremo frontal de su sistema.

Casi todas las aplicaciones ATS utilizan algún tipo de conmutación. La conmutación permite configuraciones personalizables, velocidades de conexión rápidas y la capacidad de conectar mediante programación un alto número de canales a un número mínimo de instrumentos de prueba, mejorando así el rendimiento del sistema al tiempo que se reduce el costo de un sistema de prueba automatizado. Por ejemplo, con los módulos de conmutación NI PXI y SCXI de alta densidad, puede automatizar la conexión de un NI 4072 a cientos de DUT. La velocidad de conexión se puede alterar para maximizar el rendimiento o la precisión, y la configuración se puede cambiar mediante software para ejecutar pruebas posteriores.

National Instruments ofrece una variedad de módulos de conmutación flexibles y rentables.

Topologías de conmutación

Una topología de conmutador es una representación organizativa de los canales y retransmisores en un módulo de conmutador. Uno o más módulos de conmutación configurados en una variedad de topologías son necesarios para proporcionar los puntos de conexión y funcionalidad requeridos de su sistema. Para obtener información adicional sobre las topologías disponibles y sus respectivas configuraciones, consulte la Ayuda de NI Switches.

Hay tres topologías comunes utilizadas para conmutar las mediciones de capacitancia: MUX, Doble Tiro de un solo Polo (SPDT) y Matriz. 

La topología MUX se selecciona a menudo para aplicaciones de medición de múltiples canales, donde numerosos canales se conectan uno a la vez a un dispositivo de medición. Esta topología se puede utilizar para mediciones de capacitancia más grandes. Sin embargo, con mediciones de capacitancia de nivel medio y bajo, los desplazamientos parásitos pueden afectar significativamente los resultados, y la topología MUX puede ya no ser la mejor opción. 

Las topologías SPDT y Matrix proporcionan configuraciones de sistema que ayudan a limitar los desplazamientos parásitos cuando se realizan mediciones de capacitancia de nivel medio a bajo. Estas topologías y sus configuraciones útiles se analizan en la sección Consideraciones avanzadas de este tutorial.

Compensación

En la mayoría de las aplicaciones ATS, el DMM se conectará al DUT a través de cables, interruptores, bloques de terminales y accesorios. Estos componentes adicionales agregan capacitancia parásita que puede causar un error indeseable en la medición. La Figura 1 muestra un modelo para los otros residuos que pueden existir en su sistema. Para las mediciones de capacitancia, nos ocupamos principalmente de la capacitancia parásita, Cp, pero los otros residuos pueden necesitar ser considerados, dependiendo de su sistema de prueba. Cp puede alcanzar fácilmente el rango de uF en un sistema de conmutación grande si no se toman en cuenta ciertas precauciones. 

^{Figura 1: Modelo de los residuos del accesorio de prueba}

La compensación se puede realizar para reducir el error entre el DMM y el DUT. Dos métodos de compensación comúnmente utilizados son la anulación de compensación y la compensación abierta/corta. 

La anulación de compensación, o compensación abierta, es útil si asume que Rs y Ls son insignificantes. La anulación offset implica tomar dos mediciones y restarlas para eliminar el efecto de las capacitancias paralelas (Cp en la Figura 1) que existen en su sistema de prueba. Una medición inicial de “offset” se toma con el DUT desconectado (abierto) y una segunda medición se realiza con el DUT conectado. Al restar el desplazamiento inicial de la medición de DUT se obtiene el resultado más preciso.

La compensación abierta/corta es útil si asume que el error de su sistema es una combinación de muchos residuos de accesorios de prueba diferentes. La compensación abierta/corta incorpora la anulación de offset, pero también mide cuando las conexiones junto al DUT se cortocircuitan. Este cortocircuito permite medir Rs y Ls.

Nota: El controlador NI-DMM que se utiliza con el NI 4072 puede compensar automáticamente todas las mediciones posteriores después de tomar las mediciones abiertas y cortas.

Ruido y Promedio

Cuando se toman mediciones de baja capacitancia, el ruido y otros factores ambientales pueden resultar en errores de medición. Por lo tanto, se debe hacer todo lo posible para eliminar o proteger su sistema de fuentes de ruido. El NI 4072 tiene un tiempo de apertura preestablecido que utiliza durante las mediciones de capacitancia. Si se desea una mayor resolución efectiva, se pueden promediar varias muestras modificando la propiedad “Número de mediciones de LC al promedio”. Al promediar más muestras juntas en el controlador, puede reducir el efecto del ruido en su señal.

Utilice relés con baja corriente mínima y baja resistencia a la trayectoria Especificaciones

El NI 4072 DMM genera una pequeña corriente de prueba para medir la capacitancia. Los módulos de conmutación que tienen especificaciones de corriente mínima bajas deben usarse para mantener una integridad de señal consistente. 

Los módulos de conmutación con especificaciones de resistencia de trayectoria baja deben utilizarse para mantener la impedancia entre el DMM y los DUT lo más baja posible. Sin embargo, tenga en cuenta que los interruptores de resistencia de trayectoria más alta se pueden utilizar siempre que se realice una compensación corta.

Considere la conectividad del bloque de terminales

Compruebe que los interruptores que elija pueden conectarse limpiamente a su accesorio de prueba. Los interruptores NI tienen varias opciones de conectividad, incluidos los bloques de terminales de montaje frontal y los cables. NI también proporciona números de pieza de conectores coincidentes para que los clientes y las compañías de terceros puedan construir sus propias interconexiones.

Aislamiento y cableado

Organizar los canales de conmutación de manera que se reduzca la cantidad de capacitancia que necesita ser compensada por el DMM.  El posicionamiento de los canales de conmutación en paralelo es una configuración simple y a menudo utilizada, pero resulta en la suma de capacitancias parásitas y una mayor probabilidad de error de medición. En lugar de colocar canales de conmutación en paralelo, otra opción de configuración es disponer los conmutadores en una estructura de árbol para evitar que las capacitancias parásitas se sumen. Esto se discute más detalladamente en la sección Consideraciones avanzadas de este tutorial. 

El aislamiento de los canales de conmutación en diferentes secciones también reduce la cantidad de capacitancia que necesita ser compensada por el DMM. Dado que la capacitancia total es menor, podría permitirle usar un rango más bajo en el DMM, lo que aumentará la resolución de la medición. Cuando se utiliza esta técnica, es importante proteger diferentes secciones de canales entre sí.

Los cables blindados se pueden utilizar para todos los canales para reducir el efecto del ruido y la capacitancia de canal a canal. Sin embargo, los cables blindados tienen cierta capacitancia entre el conductor y el blindaje, lo que aumentaría la cantidad de capacitancia de canal a tierra. Este aumento en la capacitancia de canal a tierra crea una capacitancia de compensación mayor para el DMM. Esta compensación entre el ruido y la capacitancia offset debe tenerse en cuenta antes de utilizar cables blindados para cada canal. Los cables blindados también suelen ser más grandes, lo que puede crear un accesorio de prueba más voluminoso.

Cuando los cables se tensan, mueven o rozan entre sí, los efectos piezoeléctricos y triboeléctricos pueden crear potenciales que pueden conducir a lecturas erróneas. Asegúrate de que los cables estén colocados de forma segura usando envolturas de sujeción para que no se muevan.

Nota: Si el diámetro del cable individual es un problema, los cables micro coaxiales pueden ser una opción para la interfaz entre los instrumentos y el accesorio de prueba, ya que todavía proporcionaría protección.

Un sistema de medición de baja capacitancia a menudo requiere la utilización de configuraciones especializadas y técnicas de compensación para minimizar el efecto de la capacitancia parásita de canal a canal y las capacitancias DUT vecinas.  

Los condensadores vecinos y la topología del multiplexor

Cuando los DUT capacitivos se conectan a múltiples canales en una topología MUX, la realización de la compensación abierta se convierte en un procedimiento más involucrado cuando se toman mediciones de baja capacitancia. La topología MUX no es adecuada para mediciones de baja capacitancia, como se explicará a continuación.

Cuando se mide una sola DUT capacitiva, la compensación abierta compensa el efecto de las capacitancias paralelas en el sistema cuando la DUT se desconecta del dispositivo de prueba. Sin embargo, cuando se conectan múltiples DUT a un accesorio de prueba, la compensación de apertura se vuelve más complicada porque los otros DUT se acoplan al sistema mediante capacitancias parásitas cuando sus conexiones de interruptor están abiertas. Por lo tanto, la compensación de apertura debe realizarse desconectando solo el DUT del dispositivo de prueba en el canal que se está midiendo (solo el canal donde el relé de interruptor está cerrado), mientras se mantienen todos los demás DUT conectados al dispositivo de prueba. Esto puede ser un proceso difícil de realizar ya que se debe hacer una compensación abierta para cada canal.

La Figura 2 representa una configuración del sistema donde el intento es medir una DUT capacitiva en un sistema donde múltiples DUT están conectadas a canales vecinos. Debido a la capacitancia parásita serie canal a canal, C_P2 y C_P3, cada DUT que no se mide, C₂ y C_3, está en paralelo con el DUT que se mide, C₁.

^{Figura 2: Problemas potenciales con un MUX debido a capacitancias parásitas}

Una compensación abierta adecuada para C₁ requiere que C₂ y C₃ estén conectados. Esto requeriría que el MUX abra el canal 1 y cierre los canales 2 y 3.  La topología MUX no permite tal estado de configuración, y por lo tanto la topología no debe usarse cuando se requiere una compensación de apertura precisa de bajo nivel.

Aunque la topología MUX no proporcionará una compensación Open precisa de bajo nivel, sí lo harán las topologías SPDT y Matrix. Además, ambas topologías reducen la capacitancia paralela causada por los DUT vecinos. 

Los condensadores vecinos y la topología SPDT

Los módulos de relé SPDT (mostrados en la Figura 3) se pueden utilizar para eliminar los desplazamientos de capacitancia causados por capacitancias parásitas de canal a canal. Esto se hace conectando el terminal normalmente cerrado (NC) a una referencia común. Dado que todos los canales que no se están midiendo se conectarán a NC, fuerza 0 V a través del condensador. Esto evita que los DUT que no se están midiendo afecten a la medición, ya que ya no están en serie con la capacitancia de canal a canal. Las capacitancias parásitas restantes se pueden eliminar fácilmente del resultado de la medición mediante el uso de compensación.

^{Figura 3: Uso de una topología SPDT para reducir el efecto de las capacidades parásitas}

Nota: Un requisito del uso de esta técnica es que los DUT capacitivos deben ser terminados al potencial de referencia.

Por ejemplo, una configuración de DMM/conmutador hecha para medir seis condensadores de 10 pF usando el módulo de conmutador SPDT NI PXI-2566 logró una resolución libre de ruido de 0,1 pF. Este sistema SPDT se puede expandir para emplear múltiples módulos NI PXI-2566, cada uno configurado para formar un MUX 16x1, y conectarlos en cascada para crear un sistema de conmutación de 256 canales. Cuantos más canales se añadan, mayor será la capacitancia de compensación. Sin embargo, si los módulos de conmutación se conectan en cascada utilizando una estructura de árbol, limitará la capacitancia de compensación global y potencialmente permitirá utilizar un rango más bajo en el dispositivo de medición. La capacitancia de compensación es limitada porque cada rama del árbol está aislada de las otras ramas.

Una desventaja de usar relés SPDT es que los módulos son típicamente menos densos, por lo que el tamaño del sistema podría ser mayor.

Los condensadores vecinos y la topología de la matriz

Al igual que el método SPDT, se puede utilizar una topología de matriz (mostrada en la Figura 4) para reducir el error causado por otros DUT conectados al sistema. Esto también se hace conectando una referencia común a ambos extremos de los DUT que no se están midiendo. 

^{Figura 4: Uso de una topología de matriz para reducir el efecto de las capacidades parásitas}

Algunos módulos Matrix no permiten conectar todos los canales porque solo pueden suministrar suficiente energía para accionar un cierto número de relés. Si solo se puede cerrar una subsección de los relés en la matriz, entonces las capacitancias parásitas de canal a canal entre la ruta de señal deseada y los relés no cerrados causarán algún error, y resultará una compensación de Apertura inexacta. Por lo tanto, considere solo los módulos de matriz que permiten cerrar cada relé simultáneamente (consulte la sección Recomendaciones a continuación).

Compensación

Al compensar un sistema de conmutación, tenga en cuenta que todos los canales de su sistema pueden no ser iguales. Por lo tanto, tomar un valor de compensación y usarlo para cada canal puede o no ser suficiente dependiendo de sus requisitos de medición. Puede ser necesario compensar cada canal individualmente y almacenar esos valores de compensación en el software. La compensación debe efectuarse de forma regular y lo más cerca posible del DUT para obtener el mejor rendimiento.

Cuando se mide una capacitancia pequeña a través de una capacitancia de sistema grande, la compensación todavía puede dar muy buenos resultados. Sin embargo, la capacitancia del sistema puede provocar el uso de un mayor rango de medición con el DMM, lo que reduce la resolución de la medición final. 

Intente siempre reducir la capacitancia de compensación del sistema, y esto es especialmente cierto con mediciones de capacitancia de bajo nivel. Si el NI 4072 se utiliza en un ATS para medir un DUT de 100 pF, lo ideal es utilizar el rango de 300 pF para lograr una resolución de 0,05 pF. Sin embargo, si la capacitancia del interruptor, cableado y accesorio es de 2 nF, entonces se requiere el rango de 10 nF del DMM para medir y compensar el desplazamiento, y este rango permite una resolución de solo 1 pF. En resumen, reducir la capacitancia de offset, permitir que el DMM mida en un rango más ajustado y lograr una mejor resolución.

Al configurar un sistema para mediciones de baja capacitancia, siga las siguientes pautas para obtener el mejor rendimiento. 

Recomendación del módulo de conmutación

Dependiendo de los requisitos de precisión de medición de capacitancia, utilice una de las siguientes topologías de interruptores

• Interruptores SPDT
• Matrices que permiten el cierre simultáneo de todos los relés. 

Los módulos de conmutación del multiplexor solo deben utilizarse si se miden capacitancias más altas cuando los desplazamientos parásitos no afecten a la medición.

Los interruptores SPDT se pueden usar para crear sistemas que requieren los requisitos de resolución más estrictos, ya que la capacitancia de compensación que debe compensarse es generalmente menor, especialmente si se usa una estructura de árbol. Una capacitancia de offset más baja normalmente permite utilizar un rango de medición más bajo que tiene una mejor resolución. 

Los módulos de matriz son rentables para los grandes sistemas de recuento de canales. Se recomiendan módulos de matriz densa, como el NI PXI-2529, NI SCXI-1129 o NI PXI-2535, ya que estos módulos permiten el cierre simultáneo de todos los relés y se pueden expandir múltiples módulos al número apropiado de filas y columnas.

Cable blindado Recomendación

Los cables protegidos pueden crear un accesorio de prueba voluminoso. Si el diámetro del cable individual es un problema, considere cables micro coaxiales para una interfaz protegida entre los instrumentos y el accesorio de prueba. Se debe utilizar blindaje si se aíslan los canales del interruptor en diferentes secciones.

El NI 4072 proporciona mediciones de capacitancia muy precisas a un precio muy asequible. La flexibilidad de la plataforma PXI le permite elegir los interruptores que mejor se adapten a sus necesidades. Para un sistema de medición de capacitancia de bajo nivel, debe elegir interruptores SPDT o matriciales, que permiten una conexión a tierra a los canales que no se están midiendo. Esto evita que los DUT en estos canales causen errores adicionales. 

Existen capacitancias parásitas no deseadas en todos los sistemas de prueba, pero se puede realizar una compensación para minimizar sus efectos. La compensación adecuada requiere un accesorio de prueba y una topología de interruptor que sea capaz de al menos realizar una compensación abierta. Para minimizar las fuentes de error debido al accesorio de prueba, diseñe cables seguros, minimice la longitud del cable, use blindaje y aísle diferentes porciones de conmutación.

Siguiendo las recomendaciones descritas en este tutorial, deberías poder diseñar y construir un sistema capaz de medir con precisión capacitancias muy bajas.