낮은 커패시턴스 측정 전환 시 고려사항

낮은 커패시턴스 측정을 수행하는데 사용되는 자동화 테스트 시스템(ATS)은 다음과 같은 장비로 구성됩니다:

• DMM 또는 LCR 미터와 같은 커패시턴스 측정 디바이스
• 테스트 픽스처에서 측정 장치로 신호를 라우팅하는 스위치
• DUT(Device Under Test)를 위한 테스트 픽스처
• 위의 각 구성요소를 연결하는 케이블

정확도, 속도, DUT 수와 같은 측정 시스템의 요구사항은 ATS 내에서 사용할 수 있는 장비 및 케이블을 결정합니다. 요구사항이 엄격해지면 일반적인 측정 기법 및 스위칭 설정이 더 이상 적절한 성능을 제공하지 않을 수 있습니다. 이 길라잡이에서 권장하는 기법과 특수 설정을 사용하여 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

낮은 레벨의 커패시턴스 측정을 계획할 때 고려해야 할 사항이 많습니다. 다음 정보는 가장 일반적인 고려사항에 대해 설명합니다.

하드웨어 선택하기

커패시턴스 측정 디바이스의 하나의 옵션은 NI PXI-4072 (NI 4072)입니다. NI 4072는 인덕턴스 및 커패시턴스를 측정하는 LCR 미터가 내장되어 있는 61⁄2 자리 디지털 멀티미터(DMM)입니다. 커패시턴스 범위는 300 pF ~ 10,000 uF이며, 0.05 pF까지 낮은 분해능으로 측정할 수 있습니다. NI 4072가 커패시턴스 및 인덕턴스 측정을 수행하는 방법에 대한 더 자세한 정보는 커패시턴스/인덕턴스 측정을 참조하십시오.

커패시턴스 측정 디바이스를 선택한 후, 테스트 신호를 이 디바이스에 연결하는 방법을 결정합니다. 비용 효율적이고 표준화된 방법은 시스템의 전면에 스위치를 통합하는 것입니다.

거의 모든 ATS 어플리케이션은 어떤 타입의 스위칭을 사용합니다. 스위치를 사용하면 사용자 정의 가능한 설정, 빠른 연결 속도, 많은 개수의 채널을 최소한의 테스트 인스트루먼트에 프로그램적으로 연결할 수 있어 자동화 테스트 시스템의 비용을 절감하면서 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 높은 밀도 NI PXI 및 SCXI 스위치 모듈을 사용하면, 하나의 NI 4072를 수백 개의 DUT에 자동으로 연결할 수 있습니다. 연결 속도를 변경하여 처리량 또는 정확도를 최대화할 수 있으며, 소프트웨어를 사용하여 이후 테스트를 실행하여 설정을 변경할 수 있습니다.

National Instruments는 다양한 유연하고 경제적인 스위치 모듈을 제공합니다.

스위치 토폴로지

스위치 토폴로지는 채널의 추상적 형이며 스위치 모듈에서 릴레이됩니다. 시스템에 필요한 연결 포인트와 기능을 제공하려면 다양한 토폴로지로 설정된 한 개 이상의 스위치 모듈이 필요합니다. 사용 가능한 토폴로지와 각 토폴로지 설정에 대한 더 자세한 정보는 NI 스위치 도움말을 참조하십시오.

스위칭 커패시턴스 측정에 사용되는 일반적인 토폴로지에는 다음 세 가지가 있습니다. MUX, SPDT (Single-Pole Double-Throw), 행렬. 

MUX 토폴로지는 여러 채널 측정 어플리케이션에서 선택되는 경우가 많으며, 이때 여러 채널이 한 번에 하나씩 측정 디바이스에 연결됩니다. 이 토폴로지는 더 큰 커패시턴스 측정에 사용할 수 있습니다. 그러나 중간 및 로우 레벨의 커패시턴스 측정에서, 기생 오프셋은 결과에 크게 영향을 미칠 수 있으며, MUX 토폴로지가 더 이상 최적의 옵션이 아닙니다. 

SPDT 및 행렬 토폴로지는 중·저레벨 커패시턴스 측정 시 기생 오프셋을 제한하는 데 도움이 되는 시스템 설정을 제공합니다. 이러한 토폴로지와 유용한 설정은 이 길라잡이의 고급 고려사항 섹션에서 다룹니다.

보상

대부분의 ATS 어플리케이션에서 DMM은 케이블, 스위치, 터미널 블록 및 픽스처를 통해 DUT에 연결됩니다. 이러한 추가적인 구성요소는 기생 커패시턴스를 추가하며, 이로 인해 측정에서 원하지 않는 에러가 발생할 수 있습니다. 그림 1은 시스템에 존재할 수 있는 다른 오차의 모델을 보여줍니다. 커패시턴스 측정의 경우, 파라사이드 커패시턴스(Cp)를 주로 고려하지만, 다른 오차는 테스트 시스템에 따라 고려해야 할 수도 있습니다. Cp는 특정 주의사항을 고려하지 않으면 큰 스위칭 시스템에서 uF 범위에 쉽게 도달할 수 있습니다. 

^{그림 1: 테스트 장치 오차의 모델}

DMM과 DUT 사이의 에러를 줄이기 위해 보상을 수행할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 보상 방법에는 오프셋 널링과 개방/단락 보상이 있습니다. 

오프셋 널링(또는 개방 보상)은 Rs와 Ls가 무시할 수 있다고 가정할 때 유용합니다. 오프셋 널링은 두 번의 측정을 수행한 후 그 차이를 계산하여 테스트 시스템에 존재하는 병렬 커패시턴스 (그림 1의 Cp)의 영향을 제거합니다. DUT 연결이 끊김(열림) 상태에서 초기 “오프셋” 측정을 수행하고, DUT 연결 상태에서 두 번째 측정을 수행합니다. DUT 측정에서 초기 오프셋을 빼면 결과가 더 정확해집니다.

개방/단락 보상은 시스템 에러가 여러 다른 테스트 장치 오차의 조합이라고 가정할 때 유용합니다. 오프셋 널링개방/단락 보상은 오프셋 영점 조정을 포함할 뿐만 아니라, DUT 연결부가 단락되었을 때도 측정합니다. 이 단락 회로를 사용하면 Rs와 Ls를 측정할 수 있습니다.

참고: NI 4072와 함께 사용되는 NI-DMM 드라이버는 개방 및 단락 측정을 수행한 후, 모든 후속 측정을 자동으로 보상할 수 있습니다.

노이즈 및 평균값 연산

낮은 커패시턴스 측정을 수행할 때, 노이즈 및 다른 환경 요인으로 인해 측정 에러가 발생할 수 있습니다. 그러므로, 노이즈 소스로부터 시스템을 제거하거나 보호하기 위해 최선을 다해야 합니다. NI 4072에는 커패시턴스 측정에서 사용하는 미리 지정된 애퍼처 시간이 있습니다. 보다 높은 효과적인 분해능을 원하는 경우, “LC 측정 개수를 평균으로” 프로퍼티를 수정하여 여러 샘플을 평균할 수 있습니다. 드라이버에서 더 많은 샘플을 함께 평균값 연산하여, 신호에 노이즈가 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

낮은 최소 전류 및 낮은 경로 저항 스펙을 가진 릴레이 사용

NI 4072 DMM은 작은 테스트 전류를 공급하여 커패시턴스를 측정합니다. 최소 전류 스펙이 낮은 스위치 모듈은 일관된 신호 무결성을 유지하기 위해 사용해야 합니다. 

경로 저항 스펙이 낮은 스위치 모듈을 사용하여 DMM과 DUT 사이의 임피던스를 최대한 낮게 유지해야 합니다. 그러나 간단한 보상이 수행되는 한, 더 높은 경로 저항 스위치를 사용할 수 있다는 점에 유의하십시오.

터미널 블록 연결 고려사항

선택한 스위치를 테스트 장치에 깨끗하게 연결할 수 있는지 확인합니다. NI 스위치는 전면 장착 터미널 블록 및 케이블을 포함한 여러 연결 옵션이 있습니다. NI는 또한 커넥터 부품 번호를 제공하여 고객 및 타사 회사가 직접 상호 연결을 만들 수 있도록 합니다.

절연 및 케이블 연결

DMM이 보상해야 하는 커패시턴스의 양을 줄이도록 스위치 채널을 배치합니다.  병렬로 스위치 채널을 위치시키는 것은 간단하고 자주 사용되는 설정이지만, 이로 인해 병렬 커패시턴스의 합계와 측정 에러의 확률이 높아집니다. 스위치 채널을 병렬로 배치하는 대신, 또 다른 설정 옵션은 트리 구조로 스위치를 배치하여 기생 커패시턴스가 누적되지 않도록 하는 것입니다. 이 길라잡이의 고급 고려사항 섹션에서 더 자세히 설명할 수 있습니다. 

스위치 채널을 서로 다른 섹션으로 분리하면 DMM이 보상해야 하는 커패시턴스의 양도 줄어듭니다. 전체 커패시턴스가 더 낮기 때문에, DMM에서 더 낮은 범위를 사용하여 측정의 분해능을 증가시킬 수 있습니다. 이 기법을 사용할 때, 채널의 서로 다른 섹션을 서로 쉴드하는 것이 중요합니다.

모든 채널에서 쉴드된 케이블을 사용하여 노이즈 및 채널 간 커패시턴스의 영향을 줄일 수 있습니다. 그러나 쉴드된 케이블은 도체와 쉴드 사이에 일부 커패시턴스를 가지고 있어 채널 대 접지 커패시턴스를 증가시킬 수 있습니다. 채널 대 접지 커패시턴스의 증가로 인해 DMM에 더 큰 오프셋 커패시턴스가 생성됩니다. 모든 채널에 쉴드된 케이블을 사용하기 전에 노이즈와 오프셋 커패시턴스 사이의 이러한 차이점을 고려해야 합니다. 또한 쉴드된 케이블은 일반적으로 더 크기 때문에 테스트 장치를 더 넓게 만들 수 있습니다.

케이블이 스트레스를 받거나, 움직이거나, 서로 흔들리면, 압전기 및 트리보전기 효과가 에러 측정값을 초래할 수 있습니다. 케이블이 움직이지 않도록 타이 랩을 사용하여 케이블이 안전하게 위치에 있도록 합니다.

참고: 개별 케이블의 직경이 문제가 되는 경우, 차폐 기능을 제공하는 마이크로 동축 케이블을 계측기와 테스트 픽스처 간의 인터페이스에 사용하는 것도 한 가지 방법입니다.

낮은 커패시턴스 측정 시스템은 종종 특수 설정을 사용하고 보상 기술을 사용하여 기생 채널 대 채널 커패시턴스 및 인접한 DUT 커패시턴스의 영향을 최소화해야 합니다.  

인접한 커패시터 및 멀티플렉서 토폴로지

용량적 DUT가 MUX 토폴로지의 여러 채널에 연결된 경우, 낮은 커패시턴스 측정을 수행할 때 개방 보상을 수행하는 과정이 더 중요합니다. MUX 토폴로지는 아래 설명과 같이 낮은 커패시턴스 측정에 적합하지 않습니다.

단일 커패시브 DUT를 측정할 때, 개방 보상은 DUT가 테스트 장치로부터 연결이 끊어지면 시스템에서 병렬 커패시턴스의 영향을 보정합니다. 그러나 여러 개의 DUT가 테스트 장치에 연결된 경우, 다른 DUT는 스위치 연결이 열려있을 때 기생적 커패시턴스로 시스템에 커플링되기 때문에 개방 보상이 더 복잡해집니다. 그러므로 열기 보상은 측정 중인 채널(스위치 릴레이가 닫힌 채널)의 테스트 장치에서 DUT만을 연결 해제하고 다른 모든 DUT를 테스트 장치에 연결하면서 수행해야 합니다. 이는 모든 채널에서 열기 보상을 수행해야 하기 때문에 수행하기 어려운 프로세스일 수 있습니다.

그림 2는 여러 개의 DUT가 인접 채널에 연결된 시스템에서 하나의 용량적 DUT를 측정하는 시스템 셋업을 보여줍니다. C_P2와 C_P3의 직렬 채널 대 채널 기생적 커패시턴스 때문에 측정되지 않는 모든 DUT(C₂와 C_3)는 측정되는 DUT(C₁)와 병렬로 움직입니다.

^{그림 2: 기생 커패시턴스로 인한 MUX의 잠재적 문제} 

C₁에 적절한 Open 보상은 C₂와 C₃을 연결해야 합니다. 이렇게 하면 MUX가 채널 1을 열고 채널 2와 채널 3을 닫아야 합니다.  MUX 토폴로지는 이러한 설정 상태를 허용하지 않기 때문에 정확한 하위 레벨 열기 보상이 필요한 경우 토폴로지를 사용해서는 안됩니다.

MUX 토폴로지는 정확한 하위 레벨 열기 보상을 제공하지는 않지만, SPDT와 행렬 토폴로지는 제공합니다. 또한, 이 두 토폴로지 모두 인접하는 DUT에 의해 발생하는 병렬 커패시턴스를 감소시킵니다. 

인접한 커패시터 및 SPDT 토폴로지

SPDT 릴레이 모듈(그림 3)을 사용하여 기생 채널 대 채널 커패시턴스로 발생한 커패시턴스 오프셋을 제거할 수 있습니다. 이는 일반적으로 닫힌 (NC) 터미널을 공통 참조에 연결하여 이루어집니다. 측정되지 않는 모든 채널이 NC에 연결되므로, 커패시터를 통해 0 V를 강제 변환합니다. 이렇게 하면 측정되지 않는 DUT가 더이상 채널 대 채널 커패시턴스로 직렬이 아니기 때문에 측정에 영향을 미치지 않습니다. 나머지 기생식 커패시턴스는 보상을 사용하여 측정 결과에서 쉽게 제거할 수 있습니다.

^{그림 3: 기생 커패시턴스의 영향을 줄이기 위한 SPDT 토폴로지 사용}

참고: 이 기법을 사용하려면, 용량적 DUT를 참조 포텐셜까지 종료해야 합니다.

예를 들어, NI PXI-2566 SPDT 스위치 모듈을 사용하여 6개의 10 pF 커패시터를 측정하는 DMM/스위치 설정이 0.1 pF 노이즈 없는 분해능을 달성하는데 성공했습니다. 이 SPDT 시스템은 각각 16x1 MUX를 구성하도록 설정된 여러 NI PXI-2566 모듈을 사용하도록 확장할 수 있으며, 이를 캐스캐이드하여 256 채널 스위칭 시스템을 생성할 수 있습니다. 채널이 더 많을수록 오프셋 커패시턴스가 더 높아질 수 있습니다. 그러나 트리 구조를 사용하여 스위치 모듈을 직렬 연결하는 경우, 전체 오프셋 커패시턴스가 제한되고 측정 디바이스에서 보다 낮은 범위를 사용할 수 있습니다. 트리의 각 분기가 다른 분기로부터 절연되어 있기 때문에 오프셋 커패시턴스는 제한됩니다.

SPDT 릴레이를 사용할 때의 단점 중 하나는 일반적으로 모듈의 밀도가 낮아 시스템 크기가 커질 수 있다는 점입니다.

인접한 커패시터 및 행렬 토폴로지

SPDT 방법과 마찬가지로 행렬 토폴로지(그림 4)를 사용하여 시스템에 연결된 다른 DUT로 인한 에러를 줄일 수 있습니다. 이는 측정되지 않는 DUT의 양쪽 끝에 공통 참조를 연결하여 이루어집니다. 

^{그림 4: 기생 커패시턴스의 영향을 줄이기 위한 행렬 토폴로지 사용}

일부 매트릭스 모듈은 특정 개수의 릴레이를 작동시키는데 충분한 전원을 공급하기 때문에 모든 채널을 연결할 수 없습니다. 행렬에서 릴레이의 한 부분만을 닫을 수 있는 경우, 원하는 신호 경로와 닫히지 않은 릴레이 사이의 파라사이트 채널 대 채널 커패시턴스가 에러를 일으키며 부정확한 열기 보상이 발생합니다. 그러므로 모든 릴레이를 동시에 닫을 수 있는 행렬 모듈만 고려하십시오(아래의 권장사항 섹션 참조).

보상

스위칭 시스템을 보정할 때, 시스템의 모든 채널이 같지 않을 수 있다는 점에 유의하십시오. 그러므로 측정 요구사항에 따라 한 개의 보상 값을 사용하여 모든 채널에 사용할 수 없거나 충분하지 않을 수 있습니다. 각 채널을 개별적으로 보정하고 해당 보상 값을 소프트웨어에 저장해야 할 수도 있습니다. 최상의 성능을 위해 보상은 DUT에 최대한 가깝게 정기적으로 수행되어야 합니다.

큰 시스템 커패시턴스를 통해 작은 커패시턴스를 측정하는 경우에도 보상은 매우 좋은 결과를 가져올 수 있습니다. 그러나 시스템 커패시턴스는 DMM과 함께 더 큰 측정 범위를 사용하여 최종 측정의 분해능을 줄일 수 있습니다. 

항상 시스템의 오프셋 커패시턴스를 줄이려고 시도하십시오. 특히 낮은 레벨의 커패시턴스 측정의 경우에 마찬가지입니다. NI 4072를 ATS에서 사용하여 100 pF DUT를 측정하는 경우, 이상적으로 300 pF 범위를 사용하여 0.05 pF의 분해능을 얻을 수 있습니다. 그러나 스위치, 케이블 연결, 고정 장치의 커패시턴스가 2 nF인 경우, DMM의 10 nF 범위가 오프셋을 측정하고 보정해야 하며, 이 범위에서는 분해능이 1 pF에 불과합니다. 간단히 말해 오프셋 커패시턴스를 줄이고, DMM이 보다 긴밀한 범위에서 측정할 수 있도록 하여 보다 높은 분해능을 얻을 수 있습니다.

낮은 커패시턴스 측정을 위해 시스템을 설정하는 경우, 최상의 성능을 얻으려면 아래 지침을 따르십시오. 

스위치 모듈 권장사항

커패시턴스 측정 정확도 요구조건에 따라 다음 스위치 토폴로지 중 하나를 사용

• SPDT 스위치
• 모든 릴레이를 동시에 닫을 수 있는 행렬. 

멀티플렉서 스위치 모듈은 더 높은 커패시턴스를 측정하는 경우에만 사용해야 하며, 이때 기생성 오프셋은 측정에 영향을 미치지 않습니다.

SPDT 스위치를 사용하여 가장 엄격한 분해능 요구사항이 있는 시스템을 생성할 수 있습니다. 특히 트리 구조를 사용하는 경우 보상해야 하는 오프셋 커패시턴스가 낮기 때문입니다. 낮은 오프셋 커패시턴스는 일반적으로 더 높은 분해능을 갖는 낮은 측정 범위를 사용할 수 있습니다. 

매트릭스 모듈은 큰 채널 카운트 시스템에서 비용 효율적입니다. NI PXI-2529, NI SCXI-1129, 또는 NI PXI-2535와 같은 밀도 행렬 모듈은 모든 릴레이를 동시에 닫을 수 있고, 여러 모듈을 적절한 개수의 행과 열로 확장할 수 있기 때문에 권장됩니다.

쉴드된 케이블 권장 사항

쉴드된 케이블은 대량 테스트 장치를 생성할 수 있습니다. 개별 케이블의 직경이 문제가 되는 경우, 인스트루먼트와 테스트 장치 사이의 쉴드된 인터페이스를 위해 마이크로 코랙스 케이블을 사용하는 것이 좋습니다. 스위치 채널을 서로 다른 섹션으로 절연하는 경우 쉴드를 사용해야 합니다.

NI 4072는 매우 저렴한 가격으로 매우 정확한 커패시턴스 측정을 제공합니다. PXI 플랫폼의 유연성을 통해 필요에 가장 적합한 스위치를 선택할 수 있습니다. 낮은 레벨의 커패시턴스 측정 시스템의 경우, 측정되지 않는 채널에 접지 연결을 허용하는 SPDT 또는 행렬 스위치를 선택해야 합니다. 이렇게 하면 이러한 채널에서 DUT가 추가적인 에러를 발생시키지 않습니다. 

모든 테스트 시스템에 원하지 않는 기생식 커패시턴스가 존재하지만, 그 효과를 최소화하기 위해 보상을 수행할 수 있습니다. 적절한 보상을 위해서는 최소한 개방형 보상을 수행할 수 있는 테스트 장치와 스위치 토폴로지가 필요합니다. 테스트 장치로 인한 에러 소스를 최소화하려면, 고정 케이블을 설계하고, 케이블 길이를 최소화하고, 쉴드를 사용하고, 서로 다른 스위칭 부분을 절연합니다.

이 길라잡이에서 설명한 권장사항을 따라 매우 낮은 커패시턴스를 정확하게 측정할 수 있는 시스템을 설계하고 구축할 수 있습니다.