2009/4/21 1 impedance analyzer rlc meter 簡世森 東海大學物理系 [email protected]...

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2009/4/21 1

Impedance AnalyzerRLC meter

簡世森東海大學物理系

[email protected]儀器原理 2009.4

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Contents

A. AC wave & Complex number polar form (1)B. Impedance

1. Capacitance/resistance (1)2. Impedance and admittance (2)3. Inductance (1)4. Series & parallel (1)

C. RLC circuits1. Impedance spectrum (2)2. Phase, quality factor, dissipation factor (0.5)3. Resonance (2)

D. RLC meters 1. Bridge method, resonant method, I-V method, auto-balanced

bridge method (3)2. Connection configuration (1)

E. Applications (2)1. MOS devices, LEDs, solar cells

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AC waves

V cos @ real V- coordinate

= t

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Musical pitch notes and octave

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Complex munber

V cos @ real V- coordinate

exp( )V i@ complex polar coordinate

虛部是人為加入的,不存在 !

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Addition

z = |z| (cos + i sin ) w = |w| (cos + i sin )Z + W = |Z|cos + |W|cos + i (|Z|sin + |W|sin )

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Multiplication

z = |z| (cos + i sin ) w = |w| (cos + i sin )zw = |zw| (cos ( + ) + i sin ( + )) = |zw| exp( i ( + ))

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AC resistorVoltage, current & power

E = I RE = E0 exp (it)I = I0 exp (it) = E0 exp (it)/R

E & I are in phase

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Capacitance

0

, exp( )

exp( )

exp( ( ))2

,

1,

o

o

C C

Q CE

dQ dEI C E E i t

dt dtI i CE i t

CE i t

I iBE B C

E iX I XC

B: susceptance 電納XC: capacitive reactance 容抗

reactance 電抗

i 的效果 : Current leads voltage by 90°

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Capacitance & reactance

, for resistance

, for capacitance

1, capacitive reactance

C

C

E RI

E iX I

XC

• 將 R 、 XC 放在複數平面中討論• i 的意義是使電壓落後 90°,不表示 reactance是虛構的

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Complex Impedance Coordinate

, for resistance

, for capacitance

( )

R

C C

T R C C C

C

E RI

E iX I

E E E RI iX I R iX I

Z R iX

E ZI

Z: impedance

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Example: RC series

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Impedance vs Admittance

E = ZII = E/Z = YE,Y = 1/Z, Y: admittance 導納

E = RI, for resistanceI = E/R = GEG = 1/R, conductance 電導

I = iBCE, for capacitance

BC = C 電納

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Complex Admittance Coordinate

/

( )

R

C C

T R C

C

C

C

I E R GE

I i CE iB E

I I I

GE iB E

G iB E

YE

Y G iB

此時 Z R - i XC ?

G

BY

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Example: RC parallel

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Series & Parallel

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Physicist vs. EngineerEngineer

0

1exp( ), ,C CE E i t X B C

C

XC

Impedanceplane

Admittanceplane

Physicist

0

1exp( ), ,C CE E i t X B C

C

XC

BC

BC

Z = R - i XC Z = R + i XC

Y = G + i BC Y = G - i BC

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Inductance

1,

,

L L

L

dIE L

dtE i

I Ei L L

I iB E BL

E i LI X L

BL: susceptance 電納XL: inductive reactance 感抗

reactance 電抗

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Example: RL series

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Example: RL parallel

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2009/4/21 21

Complex CoordinateEngineer 1

,

1,

C C

L L

X B CC

X L BL

XC

Impedanceplane

Admittanceplane

XL

BC

BL

0 exp( )E E i t

Z = R + i (XL - XC)

Y = G + i (BC - BL)

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Example: RLC series

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Example: RLC parallel

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Example: RLC series-parallel

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Impedance Spectrum: RC series

RC & CR are different!

10-1 101 103 105 10710-4

10-2

100

102

104

XC

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0

10-3

10-1

101

103

105

XC

R (

10-1 101 103 105

10-6

10-4

10-2

100

G

0.000.020.040.060.08

B

w R Xc Z G B

1 51.00E+0

45-10000i 5.00E-08 1.00E-04

10 51.00E+0

35-1000i 5.00E-06 1.00E-03

100 51.00E+0

25-100i 4.99E-04 9.98E-03

1000 51.00E+0

15-10i 4.00E-02 8.00E-02

10000 51.00E+0

05-i 1.92E-01 3.85E-02

100000 5 1.00E-01 5-0.1i 2.00E-01 4.00E-031000000 5 1.00E-02 5-0.01i 2.00E-01 4.00E-04

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RC parallel

w G B Y R Xc

1 0.21.00E-04

0.2+0.0001i

5.00E+00 -2.50E-03

2 0.22.00E-04

0.2+0.0002i

5.00E+00 -5.00E-03

5 0.25.00E-04

0.2+0.0005i

5.00E+00 -1.25E-02

10 0.21.00E-03

0.2+0.001i

5.00E+00 -2.50E-02

20 0.22.00E-03

0.2+0.002i

5.00E+00 -5.00E-02

50 0.25.00E-03

0.2+0.005i

5.00E+00 -1.25E-01

100 0.21.00E-02

0.2+0.01i

4.99E+00 -2.49E-01

200 0.22.00E-02

0.2+0.02i

4.95E+00 -4.95E-01

500 0.25.00E-02

0.2+0.05i

4.71E+00-

1.18E+00

1000 0.21.00E-01

0.2+0.1i 4.00E+00-

2.00E+00

2000 0.22.00E-01

0.2+0.2i 2.50E+00-

2.50E+00

5000 0.25.00E-01

0.2+0.5i 6.90E-01-

1.72E+00

10000 0.21.00E+

000.2+i 1.92E-01 -9.62E-01

20000 0.22.00E+

000.2+2i 4.95E-02 -4.95E-01

50000 0.25.00E+

000.2+5i 7.99E-03 -2.00E-01

100000

0.21.00E+

010.2+10i 2.00E-03 -1.00E-01

200000

0.22.00E+

010.2+20i 5.00E-04 -5.00E-02

500000

0.25.00E+

010.2+50i 8.00E-05 -2.00E-02

1000000

0.21.00E+

020.2+100i 2.00E-05 -1.00E-02

0 200000 400000 600000 800000 1000000

0

2

G

X Axis Title

0

20

40

60

80

100

B

0 1 2 3 4 5

-3

-2

-1

0

XC

R

Cole-Cole plot

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Quality Factor & Dissipation

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Q & D

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Q factor

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Resonance

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LC series

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CL parallel

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RLC series & Q factor

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Resistor frequency response

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Capacitor frequency response

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Bridge method

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Resonance method

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I-V method

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2009/4/21 39

Auto balancing bridge method

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Comparison among RLC meters

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Auto balancing bridge

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Schematic

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Block diagram

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Vector ratio detector

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Two-terminal configuration

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Five-terminal configuration

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Four-terminal pair configuration

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Residuals and open/short compensation

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2009/4/21 49

Open measurement

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Short measurement

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Precision LCR meter: Agilent 4284A

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Display

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Functions

CP-DCP-QCP-GCP-RP

CS-DCS-QCS-RS

LP-DLP-QLP-GLP-RP

LS-DLS-QLS-RS

R-XZ-

G-BY-

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data

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RC parallel-0V

12

0527

R:100 kohm

C:10 nF10mvac

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P-N junction

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Depletion layer capacitance (reverse bias)

''

R

dQC

dV

'd n a pdQ eN dx eN dx

1/ 2

2 ( ) 1s bi R an

d a d

V V Nx

e N N N

'

' nd

R R

dxdQC eN

dV dV

1/ 2

'

2( )( )s a d

bi R a d

e N NC

V V N N

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PN-100hz

+ -

n p

10mvac

14

0527

X10

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.00.0

500.0E

1.0e21

1.5e21

2.0e21

C^(

-2)

Reverse Voltage(v)

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MOS

o

o

C CjC

C Cj

2/F cm

2

2

1

21

o ox

A s

C

C V

qN d

oxoC d

The oxide capacitance per unit area

sjC W

The semiconductor depletion-layer capacitance

The surface potential

o sV V

The potential across the oxide

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MOS-CV

min ( / )ox

ox s m

Cd W

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MOS-1MHz

100mvac

0525

2-GD

X10

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MOS-25Hz

100mvac

0525

3-GD

X10

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References

• www.allaboutcircuits.com• 大學物理學 ( 三 ) 23 章 交流電路• Impedance Measurement Handbook, Agilent 2006.