切換低電容量測作業時的注意事項

用來執行低電容量測的自動化測試系統 (ATS) 可能包含下列設備:

• 多功能數位電錶 DMM 或電容量測裝置，例如 LCR 錶
• 切換器可將測試設備的訊號路由至量測裝置
• 受測裝置 (DUT) 測試設備
• 連接上述各個元件的接線

準確度、速度與 DUT 數等量測系統需求,會決定可在 ATS 中使用的設備與接線。 隨著需求日益嚴苛,一般的使用案例量測技術與切換設定可能已無法提供充分的效能。 接著可運用本教學課程中建議的技巧與特殊設定,達到所需的成果。

規劃低準位電容量測時必須考慮多項因素。下列資訊探討最常見的考量要點。

選擇硬體

電容量測裝置的選項之一是 NI PXI-4072 (NI 4072)。 NI 4072 為 61⁄2 位元多功能數位電錶 (DMM),內建可量測電感與電容的 LCR 錶。 其電容範圍介於 300 pF 到 10,000 uF 之間,解析度最小可達 0.05 pF。 如需深入了解 NI 4072 如何執行電容與電感量測,請參閱「電容/電感量測」。

選擇電容量測裝置之後,請決定如何將測試訊號路由至此裝置。 一種具經濟效益且標準化的方法,就是將切換功能整合至系統前端。

幾乎每個 ATS 應用都會使用某種切換方式。 切換功能支援客制化設定、快速連線速度,還能以程式設計方式將大量通道連接至最少數量的測試儀器,從而提升系統效能,同時降低自動化測試系統的成本。舉例來說,使用高密度 NI PXI 與 SCXI 切換器模組,即可將單一 NI 4072 連接至數百個 DUT 的作業自動化。 您可以改變連線速度以達到最高傳輸率或準確度,也可以使用軟體變更設定以執行後續測試。

NI 提供多款靈活且具經濟效益的切換器模組。

切換器拓撲

切換器拓撲是切換器模組中通道與繼電器的組織呈現方式。 為提供系統所需的連接點與功能,必須配置一個或多個切換器模組以多種拓撲。 如需有關可用拓撲及其分別設定的詳細資訊,請參閱 NI 切換器說明。

切換電容量測可使用 3 種常見拓撲:MUX、單極雙射 (SPDT) 與矩陣。 

MUX 拓撲通常適用於多通道量測應用,其中多個通道一次連接一個量測裝置。此拓撲可用於較大的電容量測作業。 不過,就中、低準位的電容量測而言,寄生偏移可能會大幅影響結果,且 MUX 拓撲可能已不再是最佳選擇。 

SPDT 與矩陣拓撲提供系統設定,有助於在執行中低準位電容量測時限制寄生偏移。本教學課程的進階考量章節將討論這些拓撲與其實用設定。

補償

在多數 ATS 應用中,DMM 會透過連接線、切換器、接線板與設備連接至 DUT。 這些額外的元件會增添寄生電容,進而在量測作業中造成不必要的誤差。 圖 1 顯示了系統內可能存在的其他殘餘物的模型。 就電容量測而言,我們主要考量寄生電容 Cp,但視您的測試系統而定,可能需要考量其他殘餘。 如果未採取某些預防措施,Cp 很容易就能在大型切換系統中達到 uF 範圍。 

^{圖 1：測試設備殘餘物模型}

可執行補償,減少 DMM 與 DUT 之間的誤差。 常用補償方法有兩種:偏移抵消與開路/短路補償。 

如果假設 Rs 和 L 可忽略,偏移抵消 (或稱開放補償) 會是相當實用的做法。偏移抵消包含將兩次量測減去,以消除測試系統中存在的平行電容 (圖 1 中的 Cp) 效應。初始的「偏移」量測作業是在 DUT 離線 (開啟) 時進行,而第二次量測作業則是在 DUT 已連接的情況下進行。減去 DUT 量測的初始偏移,可產生更準確的結果。

如果假設系統錯誤是多種不同測試設備殘餘的組合,開路/短路補償就很實用。 開路/短路補償包含偏移抵消,也會在 DUT 旁的連線發生短路時進行量測。 這樣的短路支援量測 Rs 與 Ls。

注意：NI-DMM 驅動程式可在進行開路與短路量測後,自動補償所有後續量測作業。

雜訊與平均

進行低電容量測時,雜訊與其他環境因素都有可能導致量測錯誤。 因此,應盡一切努力移除或保護系統不受雜訊來源影響。 NI 4072 具有預設間隙時間,可在電容量測期間使用。 如需更高的有效解析度,可修改「LC 量測數量至平均」屬性,以均分多個樣本。 只要在驅動程式中整體均分更多樣本,即可降低雜訊對訊號的影響。

使用具有低最低電流與低路徑電阻的繼電器規格

NI 4072 DMM 供應小型測試電流以量測電容。應使用具有低最低電流規格的切換器模組,以維持一致的訊號完整性。 

應使用具有低路徑電阻規格的切換器模組,以盡可能降低 DMM 與 DUT 之間的阻抗。 不過請注意,只要執行較短的補償,即可使用較高的路徑電阻切換器。

考慮接線板連接功能

確認您所選的切換器是否能與您的測試設備相連。 NI 切換器提供多種連接選項,包括前端固定式接線板與連接線。 NI 也提供配對接頭料號,以協助客戶與第三方公司建立自己的互連。

隔離與接線

透過 DMM 所需補償的電容量,安排切換器通道。  平行定位切換器通道是一種簡單且常用的配置,但會導致寄生電容加總,並提高量測誤差的機率。不同於平行配置切換器通道,另一個配置選項是將切換器配置在樹狀結構中,以防止寄生電容相加。 本教學課程的進階考量章節將進一步探討這一點。 

將切換器通道隔離成不同區段,也有助於減少 DMM 需要補償的電容量。 由於整體電容較低,因此可在 DMM 上使用較低的範圍,進而提高量測解析度。 使用這項技術時,請務必讓不同通道區段保持屏蔽。

包覆式連接線可用於所有通道,以降低雜訊與通道對通道電容的影響。 然而,包覆式連接線在導體與抗雜訊層之間,會產生某些電容,進而增加通道對接地電容。 通道對接地電容的增加,會為 DMM 產生更大的偏移電容。 在針對每個通道使用抗雜訊連接線之前,應先考慮到雜訊與偏移電容之間的取捨。 包覆式連接線通常也較大,因此可建立更豐富的測試設備。

當連接線受到應力、移動或互相抖動時,壓電與三電效應可能會產生電位,進而導致讀數錯誤。 請使用接線固定連接線,確保連接線無法移動。

注意：如果個別連接線直徑有問題,則可選用微同軸連接線進行儀器與測試設備之間的介接,因為這類連接線仍可提供抗雜訊功能。

低電容量測系統通常必須運用特殊的設定與補償技術,盡可能降低寄生通道對通道電容與鄰近 DUT 電容造成的影響。  

鄰近電容器與多工器拓撲

若將電容式 DUT 連接至 MUX 拓撲中的多個通道,在進行低電容量測時,執行 Open 補償會變得更具參與性的程序。MUX 拓撲並不適合用於低電容量測,後續將會說明。

量測單一電容 DUT 時,當 DUT 與測試設備斷開時,Open 補償會補償系統中的平行電容影響。然而,當將多個 DUT 連接至測試設備時,由於其他 DUT 在開啟切換器連接時,會透過寄生電容偶合至系統中,因此開放補償會變得更複雜。因此,若要執行開路補償,只需中斷量測通道上測試設備的連接 DUT (僅限切換器繼電器關閉的通道),同時讓所有其他 DUT 連接到測試設備。由於每個通道都必須進行開放補償,因此執行這項流程相當困難。

圖 2 說明了嘗試在多個 DUT 連接鄰近通道的系統中量測單一電容 DUT 的系統設定。 基於串聯通道對通道寄生電容 C_P2 與 C_P3,每個未量測的 DUT (C₂ 與 C₃) 都與受測 DUT C₁ 平行。

^{圖 2：MUX 因寄生電容所造成的潛在問題}

若要針對 C₁ 進行合適的 Open 補償,則需要連接 C₂ 與 C₃。 如此一來,MUX 就會開啟通道 1,並關閉通道 2 與 3。  MUX 拓撲不允許這種配置狀態,因此,在需要準確的低階開放補償時,不應使用此拓撲。

雖然 MUX 拓撲無法提供準確的低階開放補償,但 SPDT 與矩陣拓撲則可提供。此外,這 2 種拓撲都能降低鄰近 DUT 所造成的平行電容。 

鄰近電容器與 SPDT 拓撲

SPDT 繼電器模組 (如圖 3 所示) 可移除因寄生通道對通道電容所造成的電容偏移。只要將一般關閉 (NC) 端子連接至常見參考,即可完成這項操作。 由於所有未量測的通道都會連接至 NC,因此會對電容器造成 0 V 的壓力。 如此可排除未量測的 DUT 會影響量測作業,因為 DUT 已不再與通道對通道電容串聯。使用補償功能,即可輕鬆移除量測結果中的剩餘寄生電容。

^{圖 3：使用 SPDT 拓撲降低寄生電容的影響}

注意：使用這項技術時必須將電容 DUT 端點至參考電位。

舉例來說,使用 NI PXI-2566 SPDT 切換器模組量測 6 個 10 pF 電容器的 DMM/切換器配置成功達到 0.1 pF 的無雜訊解析度。 此 SPDT 系統可擴充為採用多個 NI PXI-2566 模組,每個模組均配置為形成 16x1 MUX,並級聯以建立 256 通道切換系統。增加的通道越多,偏移電容就越高。不過,若使用樹狀結構級聯切換器模組,將會限制整體偏移電容,並可能允許量測裝置使用較低的範圍。由於樹狀結構的每個支柱都是與其他支柱隔離的,因此偏移電容會受到限制。

使用 SPDT 繼電器的缺點之一,在於模組的密度通常較低,因此系統尺寸可能會較大。

鄰近電容器與矩陣拓撲

如同 SPDT 方法一樣,可以使用矩陣拓撲 (如圖 4 所示),減少其他連接到系統的 DUT 所造成的錯誤。 這樣一來,您也可以將共用參考連接至未量測 DUT 的兩端。 

^{圖 4：使用矩陣拓撲降低寄生電容的影響}

某些矩陣模組不允許連接每個通道,因為它們只能供應足夠的功率以致動一定數量的繼電器。若只能關閉矩陣中繼電器的部分,則所需訊號路由與未關閉繼電器之間的寄生通道對通道電容將造成錯誤,進而造成不準確的開放補償。 因此,只考慮能同時關閉所有繼電器的矩陣模組 (請參閱以下的建議部分)。

補償

切換系統補償時,請記得系統中的所有通道未必相同。 因此,根據量測需求,將單一補償值納入每個通道並加以使用可能已足夠。 可能需要個別補償每個通道,並將這些補償值儲存在軟體中。 請定期執行補償,並盡可能靠近 DUT,以達到最佳效能。

透過大型系統電容量測小型電容時,補償仍可帶來極好的成果。 不過,系統電容可能會導致使用 DMM 更大的量測範圍,進而降低最終量測的解析度。 

請務必嘗試降低系統的偏移電容,就低準位電容量測而言更是如此。 若在 ATS 中使用 NI 4072 量測 100 pF DUT,則理想情況下應使用 300 pF 範圍,以達到 0.05 pF 的解析度。 不過,如果切換器、接線與設備的電容為 2 nF,則需要 DMM 的 10 nF 範圍來量測並補償偏移,而此範圍僅可達到 1 pF 的解析度。 簡而言之,可降低偏移電容、讓 DMM 在更緊密的範圍內進行量測,並達到更出色的解析度。

設定低電容量測系統時,請遵循下方指南以取得最佳效能。 

切換器模組建議

根據電容量測準確度需求,請使用下列任一切換器拓撲

• SPDT 切換器
• 可同時關閉所有繼電器的矩陣。 

若量測高電容時,寄生偏移不會影響量測作業,多工切換器模組只能使用。

SPDT 切換器可用來建立需要最高解析度需求的系統,因為需要補償的偏移電容通常較低,尤其是使用樹狀結構時。偏移電容較低,通常可使用解析度較高的較低量測範圍。 

矩陣模組對大通道數系統極具經濟效益。 建議使用如 NI PXI-2529、NI SCXI-1129 或 NI PXI-2535 等密集的矩陣模組,因為這些模組可同時關閉所有繼電器,並可將多個模組擴充為適當的列與行數。

包覆式連接線建議

包覆式連接線可能會產生龐大的測試設備。 如果個別連接線直徑有問題,則可考慮使用微同軸連接線,以在儀器與測試設備之間建立包覆式介面。若將切換器通道隔離成不同區段,應使用抗雜訊層。

NI 4072 價格實惠,能進行極為準確的電容量測作業。 PXI 平台的靈活性讓您可選擇最符合需求的切換器。針對低準位電容量測系統,應選擇 SPDT 或矩陣切換器,以便接地連接未量測的通道。如此可避免這些通道的 DUT 造成額外的錯誤。 

每個測試系統都會產生不必要的寄生電容,但只要執行補償就能將其影響降至最低。 適當的補償需要測試設備與切換器拓撲,至少能夠執行開路補償。為盡可能減少測試設備造成的誤差,請設計安全的連接線、盡可能縮短連接線長度、使用抗雜訊,並隔離不同的切換部分。

按照本線上教學概述的建議,即可設計並建置可準確量測極低電容的系統。