为什么需要阻抗分析仪？

大v

作者：KEYSIGHT公司

主要启示

• 阻抗和相关参数（如介电常数）是与频率相关的动态特性。
  
• 它们对电压和电流水平以及温度、湿度和电磁场等环境因素也很敏感。
  
• 阻抗分析仪通过准确表征这一高度动态量，帮助工程师了解元件参数。
  

所有工程师都知道，电阻通常是个坏消息。它会发热。它会降低效率。它会磨损元件，缩短运行寿命。
然而，电阻并不是电流的唯一阻抗。当涉及到更复杂的波形时（如无线电应用），电感器和电容器会产生另一种高度动态和复杂的阻抗。
阻抗分析仪是了解电流流动的总体阻抗的首选仪器。本文将介绍阻抗分析仪的作用、用途、工作原理以及使用方法。
什么是阻抗分析仪？
阻抗分析仪是一种电子测试仪器，用于测量元件、电路或材料在一系列交流 (AC) 信号作用下的复阻抗特性曲线。
阻抗以欧姆（Ω）为单位，由两种类型的交流电流对立面组成：电阻和电抗。
电抗是由材料、元件或电路的电感和电容引起的阻抗。虽然电阻与频率无关，但电感、电容以及电抗都会随频率变化。
因此，阻抗实际上是一种动态特性，因为其电抗随信号频率而变化。



图 1 阻抗 阻抗是电阻和电抗的复数

之所以使用 “复阻抗 ”这一术语，是因为在二维复平面上用一个矢量来表示它在数学上很方便，这个矢量有一个实轴（电阻）和一个虚轴（电抗）。这个矢量的大小就是总阻抗，而方向则告诉我们电压和电流之间的相位差。
阻抗分析仪在电子和材料测试中有哪些应用？
阻抗分析适用于多个行业，在这些行业中，对交流波形下的元件、材料和电路进行鉴定至关重要。阻抗分析仪的各种用途概述如下。
电子学
模拟电路（如压控振荡器、放大器、滤波器和电源）及其组件（如谐振器和电感器）涉及谐振频率和品质因数等阻抗参数对信号电平和频率非常敏感的现象。
使用具有宽阻抗范围的分析仪来了解它们的动态行为，对于优化运行设计和提高效率至关重要。
电信
分析仪有助于在天线和传输线中实现最佳阻抗匹配，从而以最大功率传输和最小噪声进行信号传输。
此外，还可根据阻抗测量结果优化蜂窝网络组件。
电力系统
阻抗分析仪用于鉴定变压器和发电机等设备，以最大限度地减少功率损耗。它们还用于太阳能逆变器等可再生能源设备，以优化转换效率和电能质量。
航空航天
阻抗分析仪用于测试和优化飞机和航天器中的通信链路和导航系统。
汽车
对电池、电池管理系统和电子控制单元的阻抗行为进行表征，以提高可靠性、安全性和效率。
材料科学
阻抗分析仪广泛用于研究导电和半导体材料的电气特性。
阻抗分析仪与 LCR 表有何不同？
与阻抗分析仪一样，电感电容电阻计（LCR 计）也可以测量复杂阻抗。但它们的功能和用途不同，具体如下：

• 测量显示：最大的区别在于 LCR 计显示的是瞬时阻抗值，而阻抗分析仪显示的是频率范围内的阻抗曲线。后者的图形显示提供了有关被测设备（DUT）行为的更详细信息。这与万用表和示波器的区别类似。
  
• 信号频率：LCR 表以固定频率进行测量。阻抗分析仪扫描的是一个频率范围。
  
• 频率范围：LCR 表通常只能测量较低的频率。阻抗分析仪支持非常高的频率范围。
  
• 功能：LCR 表成本低，易于使用，可用于基本的固定频率阻抗测量。阻抗分析仪是更复杂的仪器，支持各种阻抗参数、共振分析和等效电路建模。
  

阻抗分析仪如何工作？
测量未知阻抗有多种技术，每种技术都有不同的优缺点。阻抗分析仪的测量硬件就是为实现其中一种技术而设计的。这些方法概述如下。
电桥法



图 2. 电桥电路方法（D 为仪器，Zx 为未知阻抗）

这种传统技术使用简单的电桥电路将未知阻抗与已知参考进行比较。
对于低频测量，这种方法简单有效。不过，它不支持高频和极低的阻抗值。
电流-电压 (IV) 法



图 3. 电流-电压测量法的电路

在电路或元件上施加已知电压。然后测量产生的电流以计算阻抗。
这种方法既简单又通用。不过，必须正确考虑电压和电流之间的相位关系。
射频 (RF) IV 法



图 4. 射频 IV 方法的电路

这种技术扩展了 IV 方法，可在射频电路中普遍使用的较高频率下准确工作。它涉及更复杂的设计，以便在这些高频下精确测量相位差。
自动平衡电桥法



图 5. 自动平衡电桥法

这种方法使用反馈机制，在频率变化时自动动态地平衡电桥电路。它支持的频率和阻抗范围很广，精度很高。但其硬件设计较为复杂。
如何使用阻抗分析仪测量电子元件的阻抗？



图 6. 阻抗分析仪测试装置

单个电子元件阻抗分析的典型配置包括：

• 阻抗分析仪：仪器的导线连接到测试夹具上，测试夹具应适合 DUT 特定类型的特性。
  
• 测试夹具：文本夹具经过精心设计，可固定被测试装置，但不会改变或干扰其阻抗特性。
  
• 电缆和适配器：可使用电缆和适配器使仪器的导线和测试夹具的连接器在电气上兼容。例如，可使用卡口式 Neill-Concelman (BNC) 连接器。
  
• 被测件：这是将被测元件插入适合其特定行为的测试夹具中。
  

如何使用阻抗分析仪测量电路中的复杂阻抗？
要使电路设计、印刷电路板 (PCB) 和 PCB 组件 (PCBA) 完全按照规格运行，就必须准确了解其电路块和材料的阻抗特性。
这些特性取决于信号频率、信号电压、温度、湿度和类似的操作因素。因此，阻抗分析仪的使用如下所述：

• 鉴定电路块：根据阻抗分析仪的测量结果，对每个主要电路块集成时的阻抗行为进行建模。每个电路块（如放大器子系统或滤波器子系统）的输入和输出阻抗都必须根据测量结果进行建模。
  
• 测量寄生：必须根据测量结果对 PCB 和元件在实际工作条件下的寄生电容和电感进行建模。这对于敏感的射频电路尤为重要。
  
• 测量 PCB 材料特性：印刷电路板和基板所用材料的介电常数是影响电路性能和电磁干扰的关键参数。必须使用阻抗分析仪在实际工作条件下测量这些参数。
  

阻抗分析仪如何帮助鉴定材料和传感器？
设备制造商必须了解晶圆、半导体和 PCB 中所用材料在实际工作条件下的行为。
阻抗分析仪支持相关测量，例如

• 高阻抗下薄片材料的介电常数
  
• 在低阻抗下测量磁性材料的磁导率
  
• 根据测量的 I-V 特性，测量金属氧化物半导体制造过程中氧化层的电容和基底杂质的密度
  
• 电容器、电感器和微型机电系统传感器等晶片上组件的特性
  

阻抗分析仪通常支持哪些频率范围？



特定分析仪所使用的测量方法决定了其支持的频率和阻抗范围，如上图所示和下文所述：

• 自动平衡电桥：这种设计可在最宽的阻抗范围和第二宽的频率范围内提供卓越的精度。它可以测量毫欧 (mΩ) 到 100 兆欧 (MΩ)，扫描频率从几赫兹 (Hz) 到 110 兆赫兹 (MHz)。然而，当频率超过 100 千赫兹 (kHz) 时，其阻抗范围开始变窄，阻抗范围开始降至 1 兆欧。
  
• IV 方法：IV 型分析仪同样精确，但测量范围较小。它们可以测量 100 mΩ 到 5 MΩ，同时扫描频率从 40 Hz 到 100 MHz。
  
• RF-IV 方法：这种分析仪可以测量 100 mΩ 到 100,000 MΩ，扫描频率从 1 MHz 到 3 gigahertz (GHz)。
  
• 透射反射技术：这种分析仪的频率范围最广，从 5 Hz 到 110 GHz，但其精度仅限于 50-75 Ω 的阻抗范围。
  

为特定应用选择阻抗分析仪时应考虑哪些因素？
在选择合适的阻抗分析仪时，应考虑以下几个方面。

• 测量方法：根据阻抗和频率的预期测量范围选择测量方法。
  
• 电压电平控制：请记住，电容器的介电常数及其电容取决于交流电压电平。同样，电感器材料的电磁滞后也取决于交流电流电平。因此，一台好的分析仪至少必须具备电压电平监控功能。最好还能具备自动电平控制能力，以保持电压恒定。
  
• 测量精度：不同的分析仪及其设计具有不同的精度。根据所需的精度来决定分析仪。
  
• 所需的阻抗参数：根据要测量的参数选择仪器，如介电常数、磁导率、品质因数 (Q) 或耗散因子 (D)。
  

温度和环境条件如何影响分析仪的阻抗测量？
请记住，阻抗是高度动态的，这一点至关重要。如下所述，温度、湿度和电磁干扰 (EMI) 等环境条件会严重影响测量结果：

• 温度：大多数电阻器、电感器和电容器都与温度有关。它们的温度系数是阻抗行为的关键因素。确保温度稳定，最好在受控的实验室环境中进行。如果在现场工作，应尽量减少暴露在温度骤变的环境中。
  
• 湿度：高湿度会导致冷凝，从而影响元件和电路的电气性能。使用除湿机确保低湿度环境。
  
• 电磁干扰：电磁干扰会影响阻抗测量，尤其是在半导体或高频应用等敏感设备中。在屏蔽环境中进行测量，以防止外部电磁场的影响。
  

Keysight 阻抗分析仪
Keysight 的高精度阻抗分析仪套件包括具有以下主要功能的三款仪器：

• E4990A 阻抗分析仪：E4990A 采用自动平衡电桥设计，可测量 25 mΩ 至 40 MΩ，扫描频率从 20 Hz 到 120 MHz。
  
• E4991B 阻抗分析仪：E4991B 是一款射频 IV 型分析仪，支持 120 mΩ 至 52 kΩ，扫描范围为 1 MHz 至 3 GHz，适用于大多数射频应用。
  
• E5061B ENA 矢量网络分析仪：E5061B 是一款全面的矢量网络分析仪，具有网络分析、阻抗分析和增益/相位分析功能，适用于高精度射频应用。其 3L5/005 解决方案选件增加了 5 Hz 至 3 GHz 阻抗分析功能。它还通过 40 VDC 直流偏置源支持直流 (DC) 应用。
  

所有这些仪器都支持通用接口总线 (GPIB)、局域网 (LAN) 和通用串行总线 (USB) 等数据输出接口。
使用 Keysight 仪器克服阻抗问题
在本文中，您了解了阻抗分析仪的用途及其关键方面。
Keysight 的模拟阻抗分析仪可为从半导体到最大型电力系统等多个行业和应用提供高度精确的阻抗表征。
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