1Page

インピーダンス測定の基礎

2Page

アジェンダ

1. インピーダンスの基礎

2. インピーダンス測定方法

3. フィクスチャ（治具）とケーブル接続

4. 校正と補正

5. インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

3Page

インピーダンスとは

• AC信号

sin

cos

ZX

ZR

ZjXRZ

R

交流の流れにくさを表す

-j

O-

|Z|

実数軸虚数軸

+j

R

X

抵抗性

誘導性

容量性

V = RI

V = ZI

：リアクタンス

：レジスタンス

• DC信号

R：抵抗、レジスタンスDC電流の流れにくさを表す

Z：インピーダンス

R ｊX単位はΩ（オーム）

4Page

インピーダンスとは（電流と電圧の関係）

t

t

t

dt

dVCI

dt

diLV

IRV

iR

iC

iL

V

V

V

V

iR

V

iC

V

iL

90°

90°

同相

電流に対して電圧は？

90度遅れる

90度進む

抵抗

コンデンサ

インダクタ

5Page

コンデンサ:素朴な疑問・何故電流に対して電圧が遅れるのか？

6Page

インダクタ:素朴な疑問何故電流に対して電圧が進むのか？

7Page

理想的なコンデンサ:

理想的なインダクタ：

インピーダンスの計算

L

C

リアクタンスには誘導性（XL）と容量性（XC）の２種類がある

Cj

Cj

11 Lj

Lj

Lj

11Cj

コンデンサ インダクタ

Z

Y

CfCXcZ /121

LfLXZ L 2 f 2

8Page

アドミタンスとは

sin

cos

1

YB

YG

YjBGY

ZY

G

ｊB

交流の流れやすさを表す

O-

|Y|

+j

-j

Y=1/Z

G

B

実数軸虚数軸

導電性

誘導性

容量性

I = YV I = YV 単位はS（ジーメンス）

：サセプタンス

：コンダクタンス

9Page

インピーダンスとアドミタンス

))((

)(22

2

2 LjLCRRLjLCRR

LjLCRRLRj

LjLCRR

LRjZ

→ 複雑LRj

LCRLjR

Cj

LjRZ

2

1

1111

)1( CLjRZ

→ 簡単)1(1 LCjRY

C L R

f 2

並列

直列

C

L

R

インピ―ダンスの計算

アドミタンスの計算

10Page

まとめ:インピーダンスとは

LCR

交流における電圧と電流の関係を表すパラメータ

DCの場合V=RI R 0

ACの場合V=ZI

振幅

位相（電圧が電流に対して）

R

変化なし（ = 0°）

C1

90度遅れる

L

90度進む

RC

j

1 Lj複素数表示

11Page

電子部品の寄生成分

なぜインピーダンスを測定するのか

実際のコンデンサ・モデル

12Page

寄生成分を含まないモデル

実際の部品

測定値

測定器 外付回路 実際の部品

%

部品の値と測定値との関係

(a)

(b)

(c)

13Page

|Z|

（LIN）

周波数（LIN）

周波数とリアクタンス

R

fCXc

2

1

fLX L 2

CCXc logloglog1

14Page

周波数とリアクタンス

10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

10M

1M

100K

10K

1K

100

10

1

100m

Frequency (Hz)

Imp

ed

an

ce (

Oh

ms)

1Ω

直列回路の場合

10uH1uF 1Ω

)1( CLjRZ

共振周波数ωL = 1/ωC

f = 1/2π√LC

15Page

周波数とリアクタンス

10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

10M

1M

100K

10K

1K

100

10

1

100m

Frequency (Hz)

Imp

ed

an

ce (

Oh

ms)

1MΩ

並列回路の場合

1H

10pF

1MΩ

)1(1 LCjRY

共振周波数ωC = 1/ωL

f = 1/2π√LC

16Page

A: |Z|

A MAX 50.00

B MAX 100.0 deg

B: MKR 63 200 000.000 Hz

MAG 47.2113 m

PHASE 659.015 mdeg

0

A MIN 20.00 START 10 000 000.000 Hz

STOP 150 000 000.000 HzB MIN -100.0 deg

m

インピーダンスの測定例

• 共振周波数をまたがる測定例

コンデンサとして機能

インダクタとして機能

17Page

寄生成分の確認

B.リード線を延ばして測定A.リード線をなるべく短くして測定

被測定物：リード部品（コンデンサ）

・リード線に含まれる寄生成分（L成分）の影響を確認

A B

+90°

-90°

θ測定結果Z 測定結果

A

B

AB

-90°から+90°に変化する周波数が左へシフト

L成分の増加によってインピーダンスも増加

18Page

Qファクタ、Dファクタ

• Q=（蓄積エネルギー）／（損失エネルギー）=X/R

• D=1/Q おもにコンデンサで使用

良好な電子部品 R → 0

Q → ∞、 D → 0

G

B

G

B

R

X

R

X

DQ CLCL

tan

11

19Page

まとめ:インピーダンスの基礎

パラメータ

・インピーダンス ・・・ Z = R + jX → 電流の流れにくさ・アドミタンス ・・・ Y = G + jB → 電流の流れやすさ・Qファクタ ・・・ Q = X / R

・Dファクタ ・・・ D(tanδ) = R / X→ リアクタンスの純粋度

インピーダンスの値に影響する条件

・周波数依存性・試験信号レベル依存性・DCバイアス依存性・温度依存性

実際の使用環境に合わせた測定が必要！

20Page

アジェンダ

1. インピーダンスの基礎

2. インピーダンス測定方法

3. フィクスチャ（治具）とケーブル接続

4. 校正と補正

5. インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

21Page

インピーダンス測定方法

• ブリッジ法

• 共振法（Qメータ法）

• I-V 法

ネットワーク・アナライザ(E5061B)（Sパラメータ基準）

・自動平衡ブリッジ法

・RF I-V 法

・反射係数法（ネットワーク解析法）

22Page

自動平衡ブリッジ法

Z = =

V2 = I2 x R2

I2

V1

V2

V1R2

仮想接地

V2

Hc R2

Hp

Lp

LcRs

DUT

V1

I2

I1 = I2

I1

HpotLcur Lpot Hcur

※DUT(Device Under Test） : 被測定物

23Page

RF I-V法

高インピーダンス用テストヘッド 低インピーダンス用テストヘッド

Vi

Vv

Ro

Ro

被測定物

電圧検出

電流検出

IV

Vi

Vv

Ro

Ro

電圧検出

電流検出

I

V

被測定物

50Ωの特性インピーダンスを保つ測定器側を50Ωに終端

・高周波で広いインピーダンス範囲で測定可能・高Q、低Dの測定に適する・周波数帯域が電流検出トランスの帯域に制限される

24Page

反射係数法（ネットワーク解析法）

被測定物入射信号

反射信号

方向性結合器

発振器

VV

反射係数法 ブロック図

V

VINC

R

=Γ Zo：特性インピーダンスΓ：反射係数

jxr

Γ1

Γ1ZZ 0L

25Page

まとめ:インピーダンス測定方法

測定法 利点 欠点 周波数範囲 Keysight製品名

ブリッジ法高確度(0.1%)

広帯域手動による同調

狭帯域DC～300MHz

共振法 Qの測定確度が良い同調操作が必要

インピーダンス測定確度が悪い10kHz～70MHz

I-V 法

接地されたデバイス測定

プローブを使った測定に最適

プローブに採用されているトランスによって周波数範囲が制限される

40Hz～110MHz

自動平衡ブリッジ法広周波数範囲

広インピーダンス測定レンジ

高周波では測定できない接地された試料は測定できない

5Hz～120MHzE4980A4285AE4990A

RF I-V 法高確度（１％）高周波において測定レンジが広い

プローブに採用されているトランスによって周波数範囲が制限される

1MHz～3GHzE4982AE4991B

反射係数法

広周波数範囲特性インピーダンス近辺が正確に測

定できる

周波数を変えるたびに校正が必要インピーダンス測定範囲が狭い

30kHz以上E5061BE5071CE5080A

26Page

アジェンダ

1. インピーダンスの基礎

2. インピーダンス測定方法

3. フィクスチャ（治具）とケーブル接続

4. 校正と補正

5. インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

27Page

接続方法とテストフィクスチャ

• 端子構成

• ケーブルの長さ

• フィクスチャの種類

テストフィクスチャ

被測定物

ケーブル

28Page

２端子法

Hc

Hp

Lc

Lp

被測定物 V

A

被測定物Co

A．接続方法 B．回路

１ｍ １０ｍ １００ｍ １ １０ １００ １ｋ １０ｋ １００ｋ １M １０M

C．インピーダンス測定範囲（Ω）

Ro Lo

Ro Lo

29Page

４端子法

Hc

Hp

Lc

Lp

被測定物 V

A

被測定物Co

A．接続方法 B．回路

１ｍ １０ｍ １００ｍ １ １０ １００ １ｋ １０ｋ １００ｋ １M １０M

C．インピーダンス測定範囲（Ω）

30Page

４端子対法

１ｍ １０ｍ １００ｍ １ １０ １００ １ｋ １０ｋ １００ｋ １M １０M

C．インピーダンス測定範囲（Ω）

Hc

Hp

Lc

Lp

被測定物

V

A

被測定物

A．接続方法 B．回路

31Page

自動平衡ブリッジ法

Lpot

Hc

Hp

Lp

Lc

Rs

DU

T

V1

V2

V

IHc： 電圧出力

Hp： 電圧測定

Lp： 仮想接地

Lc： 電流測定

測定器内部

32Page

4端子対用テストフィクスチャ例

テストフィクスチャ

被測定物

ケーブル

リード部品

表面実装部品

汎用

33Page

RF-IV法/反射法のフィクスチャ例

7 mm冶具

7 mmコネクタ

To

Port-1

セミリジッドケーブル

RF-IV法

反射法

34Page

RF-IV法/反射法のフィクスチャ例

リード部品

表面実装部品

超小型表面実装部品

35Page

まとめ:テストフィクスチャの条件

• 残留インピーダンスが少ないこと → 直近まで4端子対構成を維持

• 接触抵抗が小さいこと → 電極には腐食しない材料を使用

• 接触部でオープン、ショート接続ができること

→ 電極面を常にきれいにする

36Page

アジェンダ

1. インピーダンスの基礎

2. インピーダンス測定方法

3. フィクスチャ（治具）とケーブル接続

4. 校正と補正

5. インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

37Page

被測定物

R + jXx x

テストフィクスチャ測定器 ケーブル

測定誤差

技術的な

不確定さ 残留成分 雑音

寄生成分複雑な残留成分

位相変化

38Page

OPEN/SHORT 補正

OPEN/SHORT/LOAD補正

100

+ZZ

被測定物

100

フィクスチャケーブルスキャナ,etc

校正面

インピーダンスアナライザＬＣＲメータ

補正とは

• 被測定物と「校正面」間の測定誤差の原因となっている影響を減らすこと

Rs Ls

Co Go

Hc

Hp

Lp

Lc

Zm

残留インピーダンス（Zs)

テストフィクスチャの残留分

浮遊アドミタンス( Yo )校正面

ＺＤＵＴ

39Page

Rs Ls

Co Go

Hc

Hp

Lp

Lc

Ｙｏ

残留インピーダンス（Zs)

テストフィクスチャの残留分

浮遊アドミタンス ( Yo )

OPEN/SHORT 補正（オープン）

ＯＰＥＮ

)1

(CojGo

LsjRs

CojGoYo

校正面電極に何も接続しない状態で治具のYoを測定

40Page

Rs Ls

Co Go

Hc

Hp

Lp

Lc

Zｓ

残留インピーダンス（Zs)

テストフィクスチャの残留分

浮遊アドミタンス ( Yo )

OPEN/SHORT 補正（SHORT)

短絡（ＳＨＯＲＴ）

LsjRsZs

校正面ショートバーを付けた状態で治具のZsを測定

41Page

OPEN/SHORT 補正

YoZsZm

ZsZmZDUT

)(1

Zm

Zs

Yo ZDUT

42Page

電気長補正＋OPEN / SHORT補正

電気長補正のみ

フィクスチャ補正による効果

CH1 | Z| T&B 2 k, 200 m

CH2 Theta 36 / REF 0

START 1 MHz STOP 1. 8 GHz

OSC 500 mV BI AS OFFHl d€

43Page

位相シフトによる誤差を除去

インピーダンス測定器 被測

定物

テストフィクチャ

長いケーブル

OPEN/SHORT/LOAD補正が有効な例

R L

G C

R L

G C

R` L`

G` C`

分布定数モデル

44Page

OPEN/SHORT/LOAD補正

• 複雑な浮遊成分を低減。

• 位相シフト誤差を低減。

• 測定器間の相関に貢献。

インピーダンス測定器

DUTA B

V2V1

未知の2端子回路網

I1 I2

C D

Open/Short補正に加えて標準ＤＵＴ(Load)を使用

2

2

1

1

I

V

DC

BA

I

V

45Page

)(

1

2

容量測定誤差

[%]

周波数 [kHz]

800 1000600400200

OPEN/SHORT 補正

OPEN/SHORT/LOAD 補正)(

3

OPEN/SHORT/LOAD 補正の効果

4mの延長ケーブルを使って容量測定したときの誤差の例

46Page

補正

・Open/Short補正 ・・・ 残留Zs と浮遊Yo を除去・Open/Short/Load補正 ・・・ 複雑な残留Zsと浮遊Yoを除去

補正時の注意点

・Open補正時 ・・・ 校正時と実測時の電極間隔は同じにする・Short補正時 ・・・ 残留インピーダンスが十分小さいショートバーを使う・Open/Short補正時の目安

Open値 ・・・ 被測定物のインピーダンスの100倍以上Short値 ・・・ 被測定物のインピーダンスの1/100以下

・Load補正時 ・・・ 値が正確にわかっているデバイスをLoad値とする

まとめ:校正と補正

47Page

アジェンダ

1. インピーダンスの基礎

2. インピーダンス測定方法

3. フィクスチャ（治具）とケーブル接続

4. 校正と補正

5. インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

48Page

インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

49Page

測定例

インダクタの特性とその等価回路

インピーダンス

位相

50Page

測定例

キャパシタの周波数とバイアス依存特性

51Page

測定例

基板の電源インピーダンス(PI)測定

52Page

まとめ

1. インピーダンスの基礎

2. インピーダンス測定方法

3. フィクスチャ（治具）とケーブル接続

4. 校正と補正

5. インピーダンス・アナライザのラインアップと測定例

53Page

参考文献

インピーダンス測定ハンドブック（カタログ番号:5950-3000JA）

インピーダンス測定用 アクセサリ・セレクションガイド（カタログ番号:5965-4792JA）

54Page

Keysight World Online RFコース〈世界を拡張するRFテクノロジーシリーズ〉

日時 タイトル

3/15(水）10:30-11:30

超高速無線通信を実現する新規格IEEE802.11ax/IEEE 802.11adの基礎とRF測定方法

3/15(水）13:30-14:30

電波監視を用いたドローン探知手法の実例

4/19(水）10:30-11:30

ニューフロンティア 50GHzを超える周波数での挑戦～ 5G、レーダ、802.11ad/ay ～

4/19(水）13:30-14:30

次世代計測環境を考える。PXIモジュール型計測器の導入事例と新世代モジュールの紹介

5/17(水）10:30-11:30

IoTを実現するセルラテクノロジーNB-IoTの基礎

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