使用外部偏置三通（Bias Tee）进行直流偏置阻抗测量

June 23, 2022 by Meng Li

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偏置三通通常用于直流偏置阻抗测量。事实上，一些阻抗分析仪可能有一个内置的偏置三通，以允许输出具有直流偏置的正弦波。诸如MFIA阻抗分析仪之类的高级分析仪还配备有模拟加法器路径，以添加从另一个源提供的DC偏置或低频波。然而，某些应用可能需要高于仪器损坏阈值的直流偏压（此处可以找到MFIA的详细规格）。如果是这种情况，那么在外部添加直流偏置显然更安全，从而防止测量仪器看到这种偏置。

当在阻抗测量电路中使用外部偏置三通时，精度可能成为一个很大的问题。主要原因是任何阻抗分析仪的内部校准协议都没有考虑外部偏置三通。偏置三通有两个误差来源：

1.寄生阻抗。在之前的博客文章中，我们演示了如何使用MFIA正确测量偏置三通本身（Mini Circuits ZFBT-4R2GW+）的阻抗。有趣的是，我们发现偏置三通的阻抗谱是复杂的，不能简化为L||C等效电路。然而，偏置三通的总寄生阻抗可被视为与被测器件（DUT）串联。因此，应进行短期补偿以消除这种偏移。

2.分流效应。如果我们观察来自RF输入的偏置T形，则DC输入与DUT并联。因此，一定比例的电流可能会沿此方向泄漏，而不是从所需的RF+DC输出流出。该比率也可能随DUT阻抗和频率而变化，因此不能仅通过恒定的比例因子来固定。我们需要频率相关的缩放，也称为负载补偿。

Zurich Instruments LabOne®软件在MFIA上提供了一个短负载补偿程序，这对于在这种复杂情况下提高测量精度非常有用。这篇博客文章将引导您完成详细步骤。

图1：直流偏置阻抗测量设置示意图。

我们将偏置三通连接到MFIA和直流电源（仪表），例如Rohde&Schwarz R&S®NGU201，如图1所示。值得一提的是，仅支持2端子触点配置，因为我们打算添加的直流偏置高于MFIA的最大输入电压范围3 V。还需要注意确保绝对电流在所有条件下都小于10 mA，以防止电流输入溢出。

为了快速演示，我们选择了标称100pF电容器作为DUT，尽管理想情况下其阻抗不依赖于施加的直流偏压。我们进一步将自己限制在单个频率或几个频率下进行测量。这也是因为偏置三通的阻抗谱很复杂，出现了多个共振峰。在没有足够数据点粒度的情况下在整个频率范围内运行线性插值可能会导致更大的误差。为了解决这个问题，一个简单的方法是将用户补偿的频率与感兴趣的频率精确匹配。例如，如果我们只需要测量100 kHz和1 MHz下的阻抗与VDC之间的关系，我们可以如图2所示设置用户补偿。确保取消选中“验证”按钮以稍微放松补偿标准，因为偏置三通的寄生阻抗可能会使测得的阻抗超出公差（与0或1 kOhm的设定值偏差太大）。

图2.阻抗分析仪模块校准（CAL）选项卡的LabOne截图。请注意，验证按钮应关闭。

在图3中，我们将内部偏置测量值与外部偏置测量值（有或没有运行用户补偿）进行了比较，这些测量值都是在1MHz的固定频率下进行的。在内部偏置情况下（红色迹线），由于100 pF DUT安装在MFIF载体上并直接插入，因此精度保持与MFIA电抗图中规定的相同，无需额外设置用户补偿。我们可以测量高达9 VDC的电压，受10 V全量程输出（AC+DC）的限制，并在98.39 pF时看到非常平坦的电容。使用外部偏置，我们可以斜升到20 VDC（受直流电源限制）。如果需要，更高的电压偏置也是可能的，但应相应地仔细选择偏置T形件和DUT。在没有运行用户补偿的情况下，电容为96.52 pF（绿色迹线），与内部偏置情况下测得的值相差2%。在我们完成如上所述的短负载用户补偿例程之后，我们可以达到98.42pF。这个简单的补偿步骤帮助我们有效地将误差降低到0.03%。

图3：内部偏置（红色）、外部偏置（绿色）和外部偏置与用户补偿（蓝色）的阻抗测量比较。所有记录道均以1MHz的固定频率拍摄。

在这篇博客文章中，我们解释了如何使用偏置三通在阻抗测量中添加外部直流偏置。短负载用户补偿，在与我们感兴趣的频率精确匹配的频率下，被发现是设置中必须的。由于LabOne软件中内置的用户补偿例程，我们可以方便地实现这一点，将测量误差从2%降低到0.03%。