karakteristieke impedantie meten

fatbeard

Honourable Member

Hoe meet ik de karakteristieke impedantie van een kort (52mm) stukje symmetrische transmissielijn? Ik weet dat het wel heel kort is, maar langer is de pcb coupon niet...

Volgens berekeningen moet die impedantie ergens rond de 93 Ohm liggen, maar dat zou ik van de geleverde PCBs graag willen verifiëren.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Bij 52mm lengte kom ik uit op ruwweg 3,8 GHz. Gebruik je deze of hogere frequentie?
Als je veel lager zit dan is nmbm de karakteristieke impedantie nauwelijks interessant. Reflecties zullen volgens mij dan niet voorkomen. Je kunt de capaciteit van deze strip meten of berekenen.

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl
fatbeard

Honourable Member

De gebruikte frequentie is veeeel lager: 13.56MHz...
Ik maak me helemaal geen zorgen om reflecties, maar de onderlinge capaciteit van de traces is heel belangrijk voor het ontwerp.

PCB-boeren kunnen of willen dat niet meten (ook niet met een speciaal daarvoor ontworpen coupon), die zeggen altijd alleen karakteristieke impedantie te kunnen meten.
Dus heb ik de maten van de PCB genomen en dat in een calculator gegooid; daar kwam -bij een aangenomen εr van 4.65 een karakteristieke impedantie uit.

Uit ervaring weet ik dat een PCB zonder impedantie-specificaties op de goedkoopst mogelijke manier wordt gemaakt, en die verschilt van batch tot batch door de beschikbaarheid van materialen (en klaarblijkelijk de stand van de pet van de dienstdoende operator).
Vandaar de coupon...

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.
Frederick E. Terman

Golden Member

Als de onderlinge capaciteit belangrijk is, moet je die meten - liefst op 13,56 MHz.
Ik denk dat je op iets in de orde van 2 pF zult uitkomen. Het hangt er een beetje van hoeveel van je elektrisch veld door print loopt, en hoeveel door lucht.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
fatbeard

Honourable Member

Dat alles weet ik, en kan ik ook. Heb ik ook gedaan.
Zie ook dit topic.

Alleen als ik nu 100 printen wil hebben, straks 900 en daarna elke maand 5000 wil ik dat de printboer mij elke keer exact hetzelfde levert.
Eerder opgedane ervaringen leren dat dat zonder speciale op- en aanmerkingen geheid fout gaat, en met ook veel te vaak.
Bij een afwijking van meer dan 2pF moet de boel opnieuw getuned (een proces wat alles bij elkaar een halve dag duurt) én opnieuw gekeurd worden (à raison de €35000 en twee weken tijd).

De printboer(en) zeggen dan dat er een testcoupon in de PCB moet, maar verdommen het om de capaciteit van zo'n coupon (zelfs als die speciaal daarvoor is ontworpen) te meten: "kunnen we niet" is het meest gehoorde antwoord.
Wat ze wel zeggen te kunnen is het meten van karakteristieke impedantie, ze geven er alleen geen verdere gegegvens (meetfrequentie, nauwkeurigheid, minimale en maximale afmetingen etc) bij.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Ha fatbeard,

Interessante vragen heb jij over het algemeen :P alleen is het antwoord niet zo simpel :?
Om zo'n symmetrische printbaan te karakteriseren (symmetrische transmissie lijn) is het meten van de capaciteit niet voldoende en zal je de impedantie moeten meten.
Ik doe dit met een TDR Time Domain Reflectometry maar gebruik het apparaat als een TDT time domain transmission analyzer.
Dit werkt veel sneller als een 4 poort netwerk analyzer.... die is niet bruikbaar.
Dat valt niet mee om zo iets te bouwen en kopen rond de €67.000 dat heb ik niet in mijn spaarpot :o
Het lastigste is de probe om aan je coupon te knopen dit is fijn instrumentmakers werk wat ik ook niet zelf kan.
De rest is een snelle pulsgenerator <10pS eventueel moduleerbaar, richtkoppelers en realtime processing.
Ik kan meten minimaal 800fS dat is best heftig O-)nu zal jij niet zo kort in tijd gaan maar ook op 13MHz kan je te maken krijgen met zeer snelle data !

De reden dat je PCB boer dit niet kan meten HET IS GEEN CHIP FABRIKANT .
Een station met probes kost al gauw $200.000
En alleen de capaciteit meten zou met een wienbrug kunnen maar of dit nut heeft ???

Groet,
Henk

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Als de capaciteit belangrijk is moet je geen FR4 specificeren PERIOD

FR4 kan werkelijk van alles zijn en de factoren die van invloed zijn op de capaciteit zoals onderlinge afstand tussen de geleiders, gebruikte type epoxy, gebruikte glasweefsel zijn niet gedefinieerd.

Ik zou in het ontwerp gaan voor een zo'n laag mogelijke parasitaire capaciteit en nauwkeurige externe capaciteit plaatsen om het ontwerp reproduceerbaar te houden. Als je gebruik moet gaan maken van de parasitaire capaciteit voor het afstemmen van je circuit ben je gewoon niet aan het juiste adres bij FR4, gewoon niet doen.

This is the world we know best, the world of madness
fatbeard

Honourable Member

Geen FR4 dus, maar wat dan wel?
We praten hier over grote series (5k/maand) van een product wat prijstechnisch al onder druk staat...

De absolute waarde van de parasitaire capaciteit is niet belangrijk, wel dat-ie van batch tot batch gelijk is.
Voor de goede orde: ik stem niet af met de parasitaire capaciteit (die al zo laag mogelijk is) maar met meerdere externe 2% NP0 condensatoren (die grofweg 10 maal meer capaciteit vertegenwoordigen). Door de benodigde externe capaciteit te spreiden over meerdere condensatoren neemt statistisch de fout af.
De tussenafstand is redelijk strak gedefinieerd in de stackup; prepreg wordt bovendien in niet zo bijster veel diktes gemaakt en met 35µ koper en een 12-lagen print van 1.6mm wordt de speelruimte wel erg klein...

De hele insteek is om de PCB boer te laten meten of zíjn mix van hars en glasvezel de juiste boardparameters oplevert. Híj heeft (zou moeten hebben in elk geval) de kennis in huis om vervolgens aanpassingen te maken zodat het wèl klopt.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Ha fatbeard,

Je printboer hoeft mijn in ziens niets te meten hij moet je kunnen opgeven binnen welke norm dat hij kan leveren ik weet zeker dat hij je dat kan vertellen.
Voor FR4/G10 geldt de IPC & NEMA norm hier binnen zijn de toleranties bekend ook de verschillen tussen verschillende batches worden hiermee gedekt.
Aan jou de kunst om net als met alle andere componenten rekening te houden met toleranties.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
Ledlover

Golden Member

Als het zó kritisch is, kom je dan niet ook in de problemen met temperatuurscoëfficienten, luchtvochtigheid en dergelijke?

Als je de leverancier en de weefseldichtheid van het materiaal te weten kan komen zou je de diëlectrische constante ook moeten kennen (waar naar mijn weten het weefsel een grotere invloed heeft dan de fabrikant want glas=glas en epoxy≈epoxy). Als dit om hetzelfde 12-laags ontwerp gaat als in het andere topic dat je noemt zal de tolerantie in dikte groter zijn dan de variatie van de diëlectrische constante, en zal je afhankelijk zijn van het goed uitvoeren van het productieproces en het optimaliseren van het printontwerp. Als je een heel paneel hebt met kleine en identieke printjes er op dan zullen de prepregs egaler vloeien, en zal je minder variatie hebben dan wanneer je printje toevallig naast een ontwerp zit met grote kopervlakken op 10 van de 12 lagen. Je zou dus de eigenschappen van de basismaterialen moeten kennen, en dat kan je als fabrikant voor beide de 'cores' en de 'prepregs' waar een multilayer uit bestaat bij de fabrikant specificeren. De datasheet van Isola IS400 is wat mij betreft een goed begin om een inschatting te kunnen maken van de diëlectrische constantes van verschillende weefsels en de invloed van de hoeveelheid epoxy ten opzichte van de hoeveelheid glasvezel. Ook de relatieve hoeveelheid koper op je print gaat uitmaken voor de uiteindelijke dikte van je print en de afstand tussen de koperlagen. Zo een coupon zegt dus bar weinig, want alleen al door het feit dat hij niet op dezelfde plek zit als de print waar je de consistente impendantie wil hebben maakt dat de meetwaarden zullen verschillen.

Misschien loop ik nu dom te zagen hoor, maar ik vermoed andere afhankelijkheden dan dat je op het eerste gezicht zou denken. Begrijp ik het goed dat dit product nog in ontwikkeling is en er (nog) geen echte problemen zijn geweest?

fatbeard

Honourable Member

Het huidige ontwerp is een spin-off van het eerdere geval: andere vormfactor en extra functionaliteit. Met die eerdere zijn (na de initiële strubbelingen) geen problemen meer, die is in volle produktie.

Deze nieuwe is rijp voor productie en we willen de continuïteit van de PCB levering veilig stellen (lees: ook bij andere PCB-bakkers kunnen bestellen). Nu hebben we van één PCB-bakker de garantie dat voor het 'oude' ontwerp steeds hetzelfde proces gevolgd wordt in dezelfde fabriek, maar de nieuwe gaat in grotere aantallen lopen.

De proto's van deze nieuwe van een half jaar geleden vertelden wat er allemaal fout was, met de alfa-build van twee maanden geleden zijn de puntjes op de i gezet om door de keuringen te komen.
De eerste 100 (beta-build) moeten over drie weken klaar zijn, de pre-production van 900 uiterlijk twee weken later.
Ook van deze uitvoering is een spin-off gemaakt met wéér een andere vormfactor, die moet ook over drie weken klaar zijn.

De coupon van 9x52mm zit ín het paneel, tussen de 10 boards van 65x80mm. Voor de spin-off zijn de panelen kleiner: 4 boards.
Ik specificeer nu een stackup naar de PCB-bakker waarin alle koperdiktes, core- en prepreg diktes zijn gespecificeerd. Misschien moet ik ook het materiaal van de cores en prepreg gaan voorschrijven.

Misschien kan ik met de Isola gegevens een strakkere specificatie maken, al zal ik daarvoor ook de eerdere boards uit de alfa-build moeten nameten (L0 en C0 van de antenne), joepie. :S
Kan ik ook meteen gaan inschatten wat de temperatuursinvloed zal zijn...
Luchtvochtigheid is overigens géén issue: het ding wordt ingegoten (wil de klant persé). En ja, daarvoor is gecompenseerd in de afstemming. Getest en wel.

MAARRr... we dwalen af.
Mijn vraag was (is nog steeds): hoe bepaal ik de Z0 van een veel te kort stukje transmissielijn? Opdat ik tegen de PCB-bakker kan zeggen: dàt mottut wese (en naderhand kan bewijzen als hij het niet goed gedaan heeft)?

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Ha fatbeard ,

Er van uitgaande dat je er zin vole informatie uithaal zou je op die lage frequentie misschien kunnen nullen in een brugje.
Je meet dan de vervangingsweerstand van je transmissielijn.
Ik zal morgen eens kijken ik heb vast wel een protoprintje met een symmetrische lijn.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Op 6 februari 2019 23:29:13 schreef fatbeard:
MAARRr... we dwalen af.
Mijn vraag was (is nog steeds): hoe bepaal ik de Z0 van een veel te kort stukje transmissielijn? Opdat ik tegen de PCB-bakker kan zeggen: dàt mottut wese (en naderhand kan bewijzen als hij het niet goed gedaan heeft)?

Heel kort door de bocht: Niet.

Je wil de impedantie van een paar cm spoor weten bij een frequentie van 13MHz. Dan is het geen transmissielijn, maar gedraagt ie zich vrijwel geheel ohms. Dus is er geen impedantie te meten.

Bij een paar GHz is het ongetwijfeld een transmissielijn, maar de eta van epoxy is frequentieafhankelijk.

Kun je niet in plaats van een enkele capaciteit, je hele antenne namaken op een coupon, en die nameten?

fatbeard

Honourable Member

Ík kan die antenne wel nameten, maar dat is het punt niet: de PCB-bakker heeft een tool nodig om te kunnen vaststellen of zijn produkt aan de eisen voldoet.
En antennes nameten ín een paneel (zelfs als zij dat zouden kunnen) is onbegonnen werk door de onderlinge koppeling...

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.
pe1bia

Golden Member

goedemorgen
De impedantie van een stukje coax is de verhouding tussen de kern en de afschermmantel. De lengte van dat stukje coax is de resonantie freq. van dat stukje kabel.
PE1BIA

Ik heb ooit een simpel meetbrugje gemaakt voor kabelimpedanties.
Dat werkte heel behoorlijk en kwam neer op het volgende:

Alleen als de karakteristieke impedantie gelijk is aan de twee weerstanden is de brug in evenwicht.

Op 6 februari 2019 17:33:32 schreef fatbeard:
Door de benodigde externe capaciteit te spreiden over meerdere condensatoren neemt statistisch de fout af.

Ik vind dat wel een erg gevaarlijke aanname, je zult de fabrikant moeten vragen om de verdeling tussen de verwachtingswaarde en de standaardafwijking. Uit ervaring met condensatoren van de fabrikant Kemet kan ik je vertellen dat bij de serie waar ik gemeten heb de standaardafwijking heel klein was maar de verwachtingswaarde heel dicht tegen de tolerantie aanzat. Dat middelde dus helemaal niet mooi uit.

This is the world we know best, the world of madness

Ha Aart,

Dat kan alleen als je het einde van het symmetrisch spoor kan afsluiten.
Ik denk dat je alleen de capaciteit kan meten.... niks Zo want die is er niet :o
En @TS vraagt naar een simpel toestel op die lage frequentie denk ik toch aan een Wien brug of nog simpeler een oscillator en een frequentie teller.

Je maakt een simpele oscillator waarvan je de onbekende capaciteit (de symmetrische printbaan) zo schakelt dat de invloed het grootst is op de frequentie verandering.
Deze frequentie lees je af met een standaard frequentie teller.
Ik denk met een beetje pionier werk dat het wel mogelijk moet zijn om een verband te leggen tussen de laatste cijfers van de frequentie en de capaciteit.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Ik ga hier met blurp mee, op 13MHz zal zo een trace zich niet gedragen als transmissielijn. De capaciteit is (blijkbaar) van invloed, en zal consistent moeten zijn. Ik vind de constructie van Aart best elegant om eerlijk te zijn, ik zal hem onthouden, maar in dit geval is hij IMHO niet relevant.

Misschien een ideetje: een Wienbrug bouwen die op een vaste frequentie van 13,56MHz werkt en getuned is voor de capaciteit van een product waarvan bekend is dat het "goed" is. Dat zou een relatief goedkoop apparaatje moeten zijn en makkelijk om te testen.

Wat voor "transmissielijn" hebben we het hier over trouwens? Gewoon twee parallele printbanen? Als het het aderpaar van hier is, dan zal de capaciteit waarschijnlijk meer door het etsproces beïnvloed zijn dan het gebruikte materiaal. De variatie in breedte zal een aanzienlijk grotere invloed hebben op de impendantie/capaciteit dan de materiaaleigenschappen.

edit: electron920 Was me voor.

De capaciteit tussen twee gescheiden structuren op en PCB meet ik gewoon met een capaciteitsmeting. Gewoon de capaciteit meten met de PCB verbonden en daarna met verbroken verbinding, de delta C is de capaciteit van de PCB structuren.

Maar eigenlijk is de hele exercitie van TS niet zo heel relevant want ik ga er maar even vanuit dat de antennelus elektrisch klein is en dus de spanningsverdeling over de zelfinductie ook klein is. De parasitaire capaciteit heeft dus een te verwaarlozen bijdrage aan de resonantiefrequentie. TS kan dit makkelijk zelf verifiëren door de antenne af te stemmen met twee verschillende bekende capaciteiten in de buurt van de gewenste resonantiefrequentie en dan aan de hand daarvan de schijnbare zelfinductie te berekenen. Ik verwacht dat deze vrijwel identiek zullen zijn. Hoeveel windingen heeft die antennelus eigenlijk?

This is the world we know best, the world of madness

Het probleem zit hem daarin dat het stukje koper zich bij de genoemde frequentie nauwelijks als transmissielijn gedraagt. Het is niets anders dan een parasitaire condensator.

Maar de fabrikant zegt alleen transmissielijn impedanties te kunnen meten en garanderen. Tja.

De transmissielijn impedantie hangt af van een verhouding. De parasitaire capaciteit doet mee, maar ook iets met een inducite en mogelijk een fysieke verhouding of zo. Dus stel dat ze het lukt om de capaciteit te verdubbelen (Jij in diepe shit), dan kunnen ze tegelijk die andere parameter ook verdubbelen of halveren zodat de impedantie blijkt te kloppen.

Kortom, volgens mij heb je niets aan het aanbod: "maar we kunnen alleen de karakteristieke impedantie meten en garanderen".

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
fatbeard

Honourable Member

@rew:
Daar was ik dus al bang voor...
Ik zal pogen om de specificaties van de PCB strakker te stellen, met materiaaleisen en micro-sections.

@blackfin:
Zo deed ik dat dus vroeger. Nu bepaal ik met een VNA via een S21 meting de resonantiefrequentie en impedantie, en via een S11 meting de complexe impedantie.
Een spreadsheet doet de rest en levert bruikbare resultaten, gaat een stuk sneller.

De antenne heeft in totaal 4 windingen, van de 'oude' antenne was van de proto-reeks de zelfinductie bepaald op 2.256µH en de parasitaire capaciteit op 7.57pF (daar heb ik alleen de totalen nog van), daar moest 74pF bij om een werkende antenne te krijgen.
Van de tweede batch is de zelfinductie bepaald op 2.288±0.018µH en de parasitaire capaciteit op 7.33±0.92pF; daar moest 96pF (47+27+12) extern bij.
Alle aanpassingsberekeningen hier reproduceren gaat wat te ver, belangstellenden kunnen daarvoor diverse application notes van NXP raadplegen (en dat zijn er veel).

Mijn exercitie is niet zo relevant (ik heb alleen te maken met productie-samples en prototypen, minder dan 25 stuks), het is die van de PCB-bakker.
Díe moet een methode krijgen om vast te stellen of de gefabriceerde PCB aan de gestelde eisen voldoet (en mij in staat stelt te bewijzen wanneer hij het fout heeft gedaan)...

Dat een fabrikant garandeert dat de doelwaarde en -tolerantie van een condensator gehaald wordt is niet meer dan logisch. Je zult echter zien dat wanneer je alle condensatortjes van een rol nameet er een soort golfbeweging in de waarde is, die wordt veroorzaakt door het bijstellen van de productieparameters.
Door nu de gewenste waarde op te delen in enkele verschillende waardes (die dus een andere golfbeweging volgen) is de kans dat alle condensatoren op dezelfde 'flank' van de golf zitten kleiner, en daarmee komt de totale waarde dichter in de buurt van het ideaal (maw de tolerantie neemt af)...

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Ha fatbeard,

Dat een fabrikant garandeert dat de doelwaarde en -tolerantie van een condensator gehaald wordt is niet meer dan logisch. Je zult echter zien dat wanneer je alle condensatortjes van een rol nameet er een soort golfbeweging in de waarde is, die wordt veroorzaakt door het bijstellen van de productieparameters.
Door nu de gewenste waarde op te delen in enkele verschillende waardes (die dus een andere golfbeweging volgen) is de kans dat alle condensatoren op dezelfde 'flank' van de golf zitten kleiner, en daarmee komt de totale waarde dichter in de buurt van het ideaal (maw de tolerantie neemt af)...

Dat is dan ook de reden dat je alleen een goede meting kan uitvoeren (betaalbaar) met de TDT methode het is een matrix welke ontstaat met een VNA zie je de tijd niet en dat is in jou situatie belangrijk.

Een reële tolerantie van een condensator gemaakt d.m.v. FR4/G10 is +/- 10% daar moet je ontwerp op gebaseerd zijn nauwkeuriger Roger R3000 maar dat is per 1X1cm 10 keer duurder :o

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
fred101

Golden Member

Ik zou gewoon eerst eens meten wat je belangrijk vindt. En als ik het goed begrijp is dat de capaciteit.

2 van die stukjes trace is in theorie een transmissie lijn maar in de praktijk is het gedrag waarschijnlijk niet echt de moeite waard.

Welke capaciteit is van belang ? Van trace naar trace of van trace naar de layer(s) er onder ?. En hoe groot mag de variatie zijn.

De eerste is volgens mij niet zo heel erg afhankelijk van het PCB materiaal. Wat daar het meeste invloed zal hebben is de dielectrische constante van het silkscreen en/of de potting. Dat vult de ruimte tussen de twee traces op.
Verder het rand effect als de koper dikte van de rand dankzij etsen niet uniform is.

Er is ooit een topic geweest over het meten aan spoelen/ afgestemde kringen van pcb materiaal (van Blackfin ? had wat met MRI te maken dacht ik)

Ik begrijp dat je nu een werkende hebt, wat ik zou doen is met een brug de waarde meten. Wat de echte waarde is, is waarschijnlijk niet eens van belang als de meting maar eenvoudig te herhalen is met een zelfde resultaat. Dat zou dus met een zelfbouw brugje kunnen zijn.

Ik heb voor een klant een licht-doorlaat meter gebouwd. De echte waarde was niet van belang. Ze stellen het ding in op 100% door het licht compleet tegen te houden. Dan meten een referentie sample (zeg maar de calibratie standaard) welke bv op "85" blijkt uitkomen. Wat 85 is ? maakt niet uit, dat is de meetwaarde voor een goed sample.

Optimaal zou een impedantie analyser zijn. Een VNA is goed voor metingen rondom 50 ohm aan transmissielijnen. Een impedantie analyser is een soort sweepende LCR meter en werkt met IV metingen. Deze zijn perfect voor dit soort werk.
Ik kan met aF resolutie meten maar alleen tussen 100 Hz en 20 kHz.

Ik heb zelf een setje capaciteit standaards gemaakt van PCB. Dat was toen ik een fF meter aan het bouwen was. Daarvan weet ik dat de dielectrische constante van FR4 erg wispelturig is (vocht en samenstelling van het spul , ik denk ook de verhouding fibermat en epoxy omdat beide verschillende eigenschappen hebben.

www.pa4tim.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook oud en exotisch