Avkoppling

Appendix: Mätmetod

Att mäta impedansen hos spänningsmatningen på ett kretskort vid höga frekvenser är inte alldeles enkelt. Den metod vi använde baserar sig på S21-mätningar med vektornätverksanalysatorer och är i stort sett samma som användes i [4]. En vektornätverksanalysator är ett instrument som innehåller en sinuskälla som kan svepa sin frekvens samt kretsar för att mäta amplitud och fas hos spänningar. Instrumentet har (minst) två portar (anslutningar) och signalen kan t.ex. matas ut på port 1 och mätas på port 2, vilket är grunden i en S21-mätning. Instrumentet mäter fas och amplitud på signalen som kommer fram relativt signalen som sändes ut och man får ett mått på hur kretsen mellan portarna har påverkat utsänd signal vid denna frekvens. Mätningen upprepas vid många frekvenser och man får fram en kurva över S21 som funktion av frekvens. Instrumentet kalibreras innan mätning, vilket innebär att man mäter upp kablarna (och eventuella andra apparater som t.ex. dämpare vars inverkan man inte vill få med i resultatet) så att nätverksanalysatorn kan räkna bort deras inverkan på resultatet och man enbart ser hur det inkopplade mätobjektet påverkar fas och amplitud.

Signalen matades in till kortet som skulle testas via en SMA-kontakt som lötts fast på en lödyta avsedd för en avkopplingskondensator och togs ut på samma sätt från en annan lödyta. Jordanslutningarna på kontakterna löddes fast på det jordplan som fanns på stora delar av kortets ytterlager. Ett foto av kontakterna visas i Figur 18. Anslutningen till kortet hade varit enklare att genomföra om kortet hade förberetts för denna mätning redan när layouten designades, t.ex. genom att lödytor för ytmonterade SMA-kontakter hade lagts till på lämpliga platser.

De instrument som användes var en HP4195A för mätningar upp till 500 MHz och en Advantest R3765C för frekvenser mellan 40 MHz och 3,8 GHz. Överensstämmelsen mellan mätvärdena från de två instrumenten i det överlappande frekvensområdet (40-500 MHz) var mycket goda och det gick knappt att se någon skillnad mellan dem när de plottades i samma loglog-diagram.

Dessa instrument kan inte kompensera ordentligt för signaler som reflekteras tillbaka till port 1 vid S21-mätningar och för att undvika reflektioner som skulle störa mätresultaten kraftigt så användes en 20-dB-dämpare vid SMA-kontakten på kortet där port 1 anslöt.

I princip är S21-parametern som mäts bara kvoten mellan mottagen signal på port 2 i form av ett komplext tal som representerar amplitud och fas hos signalen och motsvarande komplexa tal för utsänd signal på port 1. Allt såklart kompenserat för att räkna bort effekten av kablarna och dämparen som mättes upp vid en kalibrerande mätning innan de riktiga mätningarna började.

Eftersom impedansen hos avkopplingen och planen förväntas vara låg relativt systemimpedansen på 50 Ω så är en S21-mätning lämplig att göra för att få god noggrannhet. Det är nämligen ett enkelt mättekniskt problem att ganska exakt mäta amplitud och fas på en svag signal som kommer in på port 2 och sedan med god noggrannhet räkna ut impedansen som för små S21 blir nästan proportionell mot S21 enligt Ekv 10. Z0 är impedansen hos nätverksanalysatorn och kablarna man använder, i detta fall 50 Ω.

Ekv 10

En alternativ mätmetod vore att mäta S11, dvs. man sänder ut en signal på port 1 och mäter reflekterad signal som kommer tillbaka på samma port. En fördel är att bara en anslutning behövs till mätobjektet. Problemet här är att (beloppet på) den reflekterade signalen blir nästan lika stor som den utsända signalen fast med ungefär 180 grader omkastad fas, vilket leder till att S11 blir nära -1. Impedansen man vill räkna ut ges av Ekv 11. Värdet på Z blir mycket känsligt för det exakta värdet av S11 när S11≈-1 och noggrannheten i mätningen blir alltså dålig i detta fall, dvs. det blir svårt att mäta små värden på Z med god precision.

Ekv 11

För att ytterligare öka precisionen i mätresultaten kan man uppskatta induktansen i viorna som ansluter portarna till spänningsplanet och räkna bort inverkan från dessa induktanser. Korrigeringarna blir i praktiken mycket små, men har gjorts i de plottar av |Z| som visas i denna artikel.

© Per Magnusson