DE102017209063B3 - Verfahren und Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit eines Gleichstroms - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der frequenzabhängigen Impedanz eines induktiven Bauelements (11, 12) in Abhängigkeit zur Bestromung (i) wird eine Messschaltung (6) mit einem ersten zu vermessenden induktiven Bauelement (11) und einem zweiten zu vermessenden induktiven Bauelement (12) sowie mit mindestens einem kapazitiven Bauelement (13 bis 16) bereitgestellt. Eine Gleichstromquelle (2) wird derart angeschlossen, dass eine Reihenschaltung der induktiven Bauelemente (11, 12) parallel zu dem mindestens einen kapazitiven Bauelement (13 bis 16) geschaltet ist. Ein Impedanzmessgerät (3) wird derart angeschlossen, dass sich eine Parallelschaltung der induktiven Bauelemente (11, 12) ergibt, wobei dem zweiten induktiven Bauelement (12) das mindestens eine kapazitive Bauelement (13 bis 16) in Reihe folgt, das für die Impedanzmessung als Kurzschluss wirkt. Die induktiven Bauelemente (11, 12) werden mit einem Gleichstrom (i) bestromt und zugleich mit einem sinusförmigen Messsignal (U) beaufschlagt und mittels des Impedanzmessgeräts (3) eine Schaltungsimpedanz gemessen. Aus Sicht des Impedanzmessgeräts (3) liegt eine Parallelschaltung der induktiven Bauelemente (11, 12) vor, so dass deren Impedanz einfach und genau aus der Schaltungsimpedanz ermittelbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit eines Gleichstroms.
• Induktive Bauelemente, wie beispielsweise Spulen, haben eine von der Frequenz abhängige Impedanz. Bei der Auslegung von elektrischen Schaltungen wird ein induktives Bauelement entsprechend der in dem Datenblatt angegebenen Impedanz ausgewählt. Die Impedanz von induktiven Bauelementen kann jedoch auch von einem Gleichstrom (DC-Bias) abhängig sein, der in einer Schaltung durch das induktive Bauelement fließt. Dies führt dazu, dass ein ausgewähltes induktives Bauelement sich in der ausgelegten Schaltung anders verhält, als dies nach der auf dem Datenblatt angegebenen Impedanz zu erwarten ist. Hierdurch wird die Schaltungsauslegung aufwendig und kompliziert.
• Aus der WO 2015/198006 A1 ist eine Messanordnung bekannt, die die Messung der Impedanz eines Test-Induktors in Abhängigkeit eines Gleichstroms und einer Wechselspannung ermöglicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und genaues Verfahren zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit eines Gleichstroms bzw. einer Bestromung zu schaffen. Insbesondere soll eine Impedanz der zu vermessenden induktiven Bauelemente ermittelt werden.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden zwei gleichartige induktive Bauelemente gleichzeitig im Zwillingsprinzip vermessen. Die induktiven Bauelemente sind insbesondere als Spulen ausgebildet. Die zu vermessenden induktiven Bauelemente werden auch als Device-Under-Test (DUT) bezeichnet. Die Messschaltung bildet zusammen mit der Gleichstromquelle und dem Impedanzmessgerät eine Messanordnung. Die Messanordnung ist derart aufgebaut, dass die Gleichstromquelle - in einer Ersatzschaltung betrachtet - eine Reihenschaltung der induktiven Bauelemente speist, da das mindestens eine parallel dazu geschaltete kapazitive Bauelement für einen von der Gleichstromquelle erzeugten Gleichstrom eine äußerst hohe Impedanz bzw. einen äußerst hohen Widerstand darstellt. Weiterhin ist die Messanordnung derart aufgebaut, dass für das Impedanzmessgerät - in einer Ersatzschaltung betrachtet - die zu vermessenden induktiven Bauelemente parallel geschaltet sind, da die Impedanz des mindestens einen in Reihe zu dem zweiten induktiven Bauelement geschalteten kapazitiven Bauelements für das sinusförmige Messsignal vernachlässigbar klein ist. Das Impedanzmessgerät misst somit eine Schaltungsimpedanz, die sich aus der Parallelschaltung der zu vermessenden induktiven Bauelemente ergibt und von dem Gleichstrom abhängig ist, der mittels der Gleichstromquelle durch die Reihenschaltung der induktiven Bauelemente getrieben wird. Aufgrund der Parallelschaltung ergibt sich die zu ermittelnde Impedanz der induktiven Bauelemente bzw. des induktiven Bauelements in einfacher Weise aus der Schaltungsimpedanz. Die zu ermittelnde Impedanz ergibt sich als mehrfache bzw. zweifache Schaltungsimpedanz. Das Ermitteln der Impedanz der induktiven Bauelemente aus der gemessenen Schaltungsimpedanz ist somit abhängig von der Messschaltung einfach möglich.
• Die zu vermessenden Bauelemente verändern sich in dem zu vermessenden Frequenzbereich und in dem zu vermessenden Gleichstrombereich in ihrer Impedanz, sind aber für den Gleichstrom niederohmig und wirken für den Gleichstrom insbesondere als Kurzschluss. Die induktiven Bauelemente sind gleichartig. Das bedeutet, dass die elektrischen Eigenschaften der induktiven Bauelemente im zu vermessenden Frequenzbereich und im zu vermessenden Gleichstrombereich weniger variieren als eine gewünschte Ermittlungsgenauigkeit der Impedanz. Die induktiven Bauelemente stammen insbesondere aus derselben Fertigungscharge bzw. demselben Produktionslos. Das mindestens eine kapazitive Bauelement wirkt in dem zu vermessenden Frequenzbereich niederimpedant. Das mindestens eine kapazitive Bauelement ist insbesondere ein Kondensator. Das Impedanzmessgerät ist beispielsweise als Netzwerkanalysator (VNA: Vector Network Analyzer) ausgebildet.
• Das erste induktive Bauelement und/oder das zweite induktive Bauelement ist ein induktives Bauteil und/oder eine Schaltung, die ein induktives Bauteil umfasst. Die Schaltung umfasst insbesondere eine Reihenschaltung und/oder eine Parallelschaltung, die induktive Bauteile aufweist. Beispielsweise ist das erste induktive Bauelement und/oder das zweite induktive Bauelement ein induktives Bauteil und/oder eine Reihenschaltung und/oder eine Parallelschaltung aus induktiven Bauteilen. Die induktiven Bauteile sind vorzugsweise gleichartig ausgebildet. Das jeweilige induktive Bauteil ist vorzugsweise als Spule ausgebildet.
• Ein kapazitives Bauelement ist ein kapazitives Bauteil oder eine Schaltung, die ein kapazitives Bauteil umfasst. Beispielsweise ist das kapazitive Bauelement eine Parallelschaltung und/oder eine Reihenschaltung, die kapazitive Bauteile umfasst. Das jeweilige kapazitive Bauteil ist insbesondere als Kondensator ausgebildet.
• Ein Verfahren nach Anspruch 2 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz in Abhängigkeit des Gleichstroms. Der in den ersten Knoten fließende Gleichstrom ist definiert und bekannt. In der Reihenschaltung der induktiven Bauelemente ist der Gleichstrom durch die induktiven Bauelemente gleich. Aufgrund der für den Gleichstrom niederohmigen Bauelemente ist die resultierende Spannung an dem ersten Knoten sehr gering, so dass zusätzliche Bauelemente zum Schutz des an dem ersten Knoten angeschlossenen Impedanzmessgeräts nicht erforderlich sind. Hierdurch ist in einfacher Weise eine genaue Ermittlung der Impedanz sichergestellt. Insbesondere werden keine zusätzlichen Bauelemente benötigt, so dass diese die Ermittlung der Impedanz nicht beeinträchtigen können.
• Ein Verfahren nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Impedanz. Die gewünschte Ermittlungsgenauigkeit ist umso höher, je weniger die elektrischen Eigenschaften der zu vermessenden Bauelemente in dem zu vermessenden Frequenzbereich und in dem zu vermessenden Gleichstrombereich zueinander variieren. Für ein Verhältnis einer ersten Induktivität L₁ des ersten induktiven Bauelements zu einer zweiten Induktivität L₂ des zweiten induktiven Bauelements gilt in dem Frequenzbereich und in dem Gleichstrombereich vorzugsweise: 0,8 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: L₁/L₂ = 1, also L₁ = L₂ = L. Weiterhin gilt für ein Verhältnis eines ersten ohmschen Widerstands R_L1 des ersten induktiven Bauelements zu einem zweiten ohmschen Widerstand R_L2 des zweiten induktiven Bauelements in dem Frequenzbereich und in dem Gleichstrombereich vorzugsweise: 0,8 ≤ R_L1/R_L2 ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ R_L1/R_L2 ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ R_L1/R_L2 ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: R_L1/R_L2 = 1, also R_L1 = R_L2 = R_L.
• Ein Verfahren nach Anspruch 4 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass mehrere kapazitive Bauelemente, insbesondere Kondensatoren, parallel zueinander geschaltet sind, erniedrigt sich die Impedanz der parallel geschalteten kapazitiven Bauelemente, so dass aus Sicht des Impedanzmessgeräts eine Parallelschaltung der induktiven Bauelemente vorliegt. Durch die Parallelschaltung mehrerer kapazitiver Bauelemente kann zudem die Baugröße des einzelnen kapazitiven Bauelements verringert werden. Die kapazitiven Bauelemente sind insbesondere jeweils mit dem zweiten Knoten und dem Referenzknoten verbunden.
• Ein Verfahren nach Anspruch 5 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die kapazitiven Bauelemente, insbesondere die Kondensatoren, baugleich sind, wird vermieden, dass diese bei einer Messfrequenz gegenseitig in Resonanz kommen und die Messung der Schaltungsimpedanz hierdurch beeinträchtigt wird. Für ein Verhältnis einer ersten Kapazität C_n eines beliebig ausgewählten ersten kapazitiven Bauelements zu einer zweiten Kapazität C_m eines beliebig ausgewählten zweiten kapazitiven Bauelements der Parallelschaltung gilt in dem zu vermessenden Frequenzbereich und in dem zu vermessenden Gleichstrombereich vorzugsweise: 0,8 ≤ C_n/C_m ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ C_n/C_m ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ C_n/C_m ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: C_n/C_m = 1, also C_n = C_m = C. Für ein Verhältnis eines ersten ohmschen Widerstandes R_Cn eines beliebig ausgewählten ersten kapazitiven Bauelements zu einem zweiten ohmschen Widerstand R_Cm eines beliebig ausgewählten zweiten kapazitiven Bauelements der Parallelschaltung gilt in dem zu vermessenden Frequenzbereich und in dem zu vermessenden Gleichstrombereich vorzugsweise: 0,8 ≤ R_Cn/R_Cm ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ R_Cn/R_Cm ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ R_Cn/R_Cm ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: R_Cn/R_Cm = 1, also R_Cn = R_Cm = Rc. Für ein Verhältnis einer ersten Eigenresonanzfrequenz SRF_Cn (SRF: Self Resonance Frequency) eines beliebig ausgewählten ersten kapazitiven Bauelements zu einer zweiten Eigenresonanzfrequenz SRF_Cm eines beliebig ausgewählten zweiten kapazitiven Bauelements der Parallelschaltung gilt in dem zu vermessenden Frequenzbereich und in dem zu vermessenden Gleichstrombereich vorzugsweise: 0,8 ≤ SRF_Cn/SRF_Cm ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ SRF_Cn/SRF_Cm ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ SRF_Cn/SRF_Cm ≤ 1,05. Vorzugsweise gilt: SRF_Cn/SRF_Cm = 1, also SRF_Cn = SRFcm = SRFc.
• Ein Verfahren nach Anspruch 6 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz in einem gewünschten Gleichstrombereich. Vorzugsweise wird der Gleichstrom in dem Gleichstrombereich mit einer Schrittweite Δi_DC variiert.
• Ein Verfahren nach Anspruch 7 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz in einem gewünschten Frequenzbereich. Die Messfrequenz wird in dem Frequenzbereich insbesondere mit einer Schrittweite Δf oder einem Schrittverhältnis f_i/f_i+1, wobei f_i und f_i+1 aufeinander folgende Messfrequenzen bezeichnet, variiert.
• Ein Verfahren nach Anspruch 8 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass das mindestens eine kapazitive Bauteil bei der jeweiligen Messfrequenz eine Impedanz hat, die wesentlich kleiner als die zu ermittelte Impedanz ist, wird die Messung der Schaltungsimpedanz und somit die Ermittlung der Impedanz im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Aus Sicht des Impedanzmessgeräts liegt eine Parallelschaltung der induktiven Bauelemente vor. Es gilt insbesondere: 30 ≤ |Z_L|/|Z_CP| ≤ 10000, und insbesondere 100 ≤ |Z_L|/|Z_CP| ≤ 1000.
• Ein Verfahren nach Anspruch 9 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Die Kalibrierung ist abhängig von dem Impedanzmessgerät und eliminiert Abweichungen bzw. Messfehler aufgrund der Messanordnung. Vorzugsweise werden mindestens drei Kalibriermessungen mit einer entsprechenden Anzahl an Kalibrier-Messschaltungen durchgeführt. Vorzugsweise wird eine OSM-Kalibrierung (Open Short Match) durchgeführt. Bei der OSM-Kalibrierung werden drei Kalibriermessungen durchgeführt. Bei einer ersten Kalibriermessung werden anstelle der induktiven Bauelemente Kalibrier-Widerstände verwendet, die einem Leerlauf entsprechen (O: Open). Beispielsweise werden hochohmige Kalibrier-Widerstände R₁ = R₂ = 1 MΩ verwendet. Bei einer zweiten Kalibriermessung werden anstelle der induktiven Bauelemente Kalibrier-Widerstände verwendet, die einem Kurzschluss entsprechen (S: Short). Beispielsweise werden Kalibrier-Widerstände R₁ = R₂ = 0 Ω verwendet. Bei einer dritten Kalibriermessung werden anstelle der induktiven Bauteile Kalibrier-Widerstände mit einem bestimmten Widerstandswert verwendet (M: Match). Die Kalibrier-Widerstände betragen beispielsweise R₁ = R₂ = 100 Ω. Die Kalibrier-Widerstände jeder Kalibrier-Messschaltung sind baugleich. Dadurch kompensieren sich parasitäre Effekte, die sich aus der Bauform ergeben.
• Ein Verfahren nach Anspruch 10 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung der Messschaltung entspricht, wird gewährleistet, dass Abweichungen bzw. Messfehler aufgrund der Messanordnung eliminiert werden. Die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung unterscheidet sich von der Messschaltung lediglich dadurch, dass anstelle der zu vermessenden induktiven Bauteile ohmsche Kalibrier-Widerstände verwendet werden. Die Kalibrier-Widerstände sind vorzugsweise als Leerlauf (O: Open), Kurzschluss (S: Short) und als vordefinierter Widerstandswert (M: Match) ausgebildet.
• Ein Verfahren nach Anspruch 11 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Die Kalibrier-Widerstände und das mindestens eine kapazitive Kalibrier-Bauelement bilden eine Kalibrier-Messschaltung aus, die entsprechend der Messschaltung aufgebaut ist. Die Kalibrier-Messschaltung ist insbesondere auf einer Kalibrier-Platine ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung mit einer Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar ist. Das Impedanzmessgerät und die Gleichstromquelle sind vorzugsweise mit der Grund-Platine elektrisch verbindbar. Vorzugsweise sind mehrere Kalibrier-Messschaltungen vorgesehen, die unterschiedliche Kalibrier-Widerstände haben. Vorzugsweise dienen die Kalibrier-Messschaltungen für eine OSM-Kalibrierung.
• Ein Verfahren nach Anspruch 12 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die Kalibrierung mittels mindestens einer Prüf-Messschaltung überprüft wird, wird gewährleistet, dass die Messung der Schaltungsimpedanz und somit die Ermittlung der Impedanz nur mit einer ausreichend exakten Kalibrierung des Impedanzmessgeräts durchgeführt wird. Die mindestens eine Prüf-Messschaltung ist entsprechend der mindestens einen Kalibrier-Messschaltung aufgebaut, wobei anstelle der Kalibrier-Widerstände abweichende Prüf-Widerstände verwendet werden. Erfüllt die Kalibrierung die gewünschten Genauigkeitsanforderungen, so liegen die gemessenen Prüf-Widerstände innerhalb eines Toleranzbereiches zu einer Realteil-Achse in einem Smith-Diagramm. Liegen die gemessenen Prüf-Widerstände nicht innerhalb des Toleranzbereiches, so erfüllt die Kalibrierung nicht die gewünschten Genauigkeitsanforderungen. In diesem Fall müssen die Kontakte überprüft und die Kalibrierung anschließend wiederholt werden. Vorzugsweise werden mehrere Prüfmessungen mit mehreren Prüf-Messschaltungen und unterschiedlichen Prüf-Widerständen durchgeführt. Als Prüf-Widerstände werden beispielsweise die ohmschen Widerstände R₁‘ = R₂‘ = 10 Ω und R₁‘ = R₂‘ = 1000 Ω verwendet. Die Prüf-Widerstände jeder Prüf-Messschaltung sind baugleich.
• Ein Verfahren nach Anspruch 13 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Dadurch, dass die mindestens eine Prüf-Messschaltung entsprechend der Messschaltung und entsprechend der mindestens einen Kalibrier-Messschaltung aufgebaut ist, erfolgt eine genaue Überprüfung der Kalibrierung. Die mindestens eine Prüf-Messschaltung unterscheidet sich von der Messschaltung lediglich dadurch, dass die induktiven Bauelemente durch ohmsche Prüf-Widerstände ersetzt sind. Weiterhin unterscheidet sich die mindestens eine Prüf-Messschaltung von der mindestens einen Kalibrier-Messschaltung lediglich dadurch, dass sich die Prüf-Widerstände im Widerstandswert von den Kalibrier-Widerständen unterscheiden. Beispielsweise werden als Prüf-Widerstände R₁‘ = R₂‘ = 10 Ω und R₁‘ = R₂‘ = 1000 Ω verwendet.
• Ein Verfahren nach Anspruch 14 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Die Prüf-Widerstände und das mindestens eine kapazitive Prüf-Bauelement bilden eine Prüf-Messschaltung aus. Die Prüf-Widerstände sind baugleich. Das mindestens eine kapazitive Prüf-Bauelement entspricht vorzugsweise dem mindestens einen kapazitiven Bauelement der Messschaltung. Vorzugsweise werden mehrere Prüfmessungen mit mehreren Prüf-Messschaltungen durchgeführt, die unterschiedliche Prüf-Widerstände haben. Die jeweilige Prüf-Messschaltung ist vorzugsweise auf einer Prüf-Platine ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung mit einer Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar ist. Das Impedanzmessgerät und die Gleichstromquelle sind vorzugsweise mit der Grund-Platine elektrisch verbindbar.
• Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zu schaffen, die eine einfache und genaue Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit eines Gleichstroms ermöglicht. Insbesondere soll eine Impedanz der zu vermessenden induktiven Bauelemente ermittelt werden.
• Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Messanordnung entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Messanordnung kann insbesondere auch mit mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 weitergebildet werden.
• Eine Messanordnung nach Anspruch 16 gewährleistet eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz. Durch den modularen Aufbau der Messanordnung ist die Mess-Platine mit der Messschaltung in einfacher Weise mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar sowie trennbar. Hierdurch können mehrere auf Mess-Platinen ausgebildete Messschaltungen nacheinander über die Steckkontaktverbindung mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbunden und die jeweilige Impedanz der induktiven Bauelemente der Messschaltung ermittelt werden. Hierdurch können in kurzer Zeit die Impedanzen einer Vielzahl von zu vermessenden induktiven Bauelementen ermittelt werden. Durch eine anschließende Mittelwertbildung kann in einfacher und zuverlässiger Weise eine genaue Impedanz der induktiven Bauelemente ermittelt werden.
• In entsprechender Weise ist die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung auf einer Kalibrier-Platine und/oder die mindestens eine Prüf-Messschaltung auf einer Prüf-Platine ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbindbar ist bzw. verbindbar sind. Hierdurch können die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung und/oder die mindestens eine Prüf-Messschaltung und/oder die mindestens eine Messschaltung in einfacher Weise vermessen werden, indem die mindestens eine Kalibrier-Platine und/oder die mindestens eine Prüf-Platine und/oder die mindestens eine Mess-Platine mittels der Steckkontaktverbindung mit der Grund-Platine mechanisch und elektrisch verbunden bzw. getrennt werden. Die Platinen sind insbesondere aus einem Nutzen hergestellt. Hierdurch werden Messfehler infolge von unterschiedlichen Platineneigenschaften vermieden.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung einer Messanordnung zur Ermittlung einer Impedanz eines induktiven Bauelements in Abhängigkeit eines Gleichstroms,
• 2 ein Schaltbild der Messanordnung in 1 mit einer zwei zu vermessende induktive Bauelemente umfassenden Messschaltung,
• 3 ein erstes Ersatzschaltbild der Messanordnung in Bezug auf eine Gleichstromquelle,
• 4 ein zweites Ersatzschaltbild der Messanordnung in Bezug auf ein Impedanzmessgerät,
• 5 ein Schaltbild einer Kalibrier-Messschaltung,
• 6 ein Schaltbild einer Prüf-Messschaltung,
• 7 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Ermittlung der Impedanz der induktiven Bauelemente,
• 8 ein Smith-Diagramm zur Veranschaulichung einer Kalibrierung des Impedanzmessgeräts und einer Überprüfung der Kalibrierung,
• 9 ein Realteil der ermittelten Impedanz in Abhängigkeit einer Messfrequenz und eines Gleichstroms, und
• 10 ein Imaginärteil der ermittelten Impedanz in Abhängigkeit der Messfrequenz und des Gleichstroms.
• Eine Messanordnung 1 umfasst eine Gleichstromquelle 2, ein Impedanzmessgerät 3, eine Grund-Platine 4 und eine Mess-Platine 5. Auf der Mess-Platine 5 ist eine Messschaltung 6 ausgebildet, die über eine Steckkontaktverbindung 7 mechanisch mit der Grund-Platine 4 und elektrisch mit auf der Grund-Platine 4 ausgebildeten Anschlüssen 8, 8' und 9, 9' verbunden ist. Die ersten Anschlüsse 8, 8' dienen zum Anschließen der Gleichstromquelle 2 an die Messschaltung 6, wohingegen die zweiten Anschlüsse 9, 9' zum Anschließen des Impedanzmessgeräts 3 an die Messschaltung 6 dienen. Die Kontaktierung der Anschlüsse 8, 8' und 9, 9' mit der Messschaltung 6 erfolgt über die Steckkontaktverbindung 7. Die Messanordnung 1 umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung 10, die an das Impedanzmessgerät 3 angeschlossen ist. Die Auswerteeinrichtung 10 ist beispielsweise ein PC.
• Die Messschaltung 6 umfasst ein erstes zu vermessendes induktives Bauelement 11 und ein zweites zu vermessenden induktives Bauelement 12. Die induktiven Bauelemente 11, 12 sind als induktive Bauteile, insbesondere als Spulen ausgebildet. Das erste induktive Bauelement 11 ist mit einem Referenzknoten K₀ und einem ersten Knoten K₁ verbunden. Das zweite induktive Bauelement 12 ist mit dem ersten Knoten K₁ und einem zweiten Knoten K₂ verbunden. Das Impedanzmessgerät 3 ist über die Anschlüsse 9, 9' mit dem ersten Knoten K₁ und dem Referenzknoten K₀ verbunden. Das Impedanzmessgerät 3 ist als Netzwerkanalysator ausgebildet (VNA: Vector Network Analyzer).
• Die Messschaltung 6 umfasst ferner vier kapazitive Bauelemente 13, 14, 15, 16. Die kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 sind als kapazitive Bauteile, insbesondere als Kondensatoren ausgebildet. Die kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 sind zueinander parallel geschaltet und jeweils mit dem zweiten Knoten K₂ und dem Referenzknoten K₀ verbunden. Die Gleichstromquelle 2 ist über die Anschlüsse 8, 8' mit dem zweiten Knoten K₂ und dem Referenzknoten K₀ verbunden.
• Die Gleichstromquelle 2 ist derart ausgebildet, dass ein Gleichstrom i_DC einstellbar und in einem Gleichstrombereich ΔI_DC mit einer gewünschten Schrittweite Δi_DC variierbar ist. Für den Gleichstrombereich ΔI_DC gilt vorzugsweise:
• 0A ≤ ΔI_DC ≤ 3A und/oder 3A ≤ ΔI_DC ≤ 5A und/oder 5A ≤ ΔI_DC ≤ 20A.
• Das Impedanzmessgerät 3 ist derart ausgebildet, dass ein sinusförmiges Messsignal in Form einer Messspannung U mit der Messfrequenz f einstellbar und in einem Frequenzbereich ΔF mit einer gewünschten Schrittweite Δf einstellbar ist. Für den Frequenzbereich ΔF gilt insbesondere:
• 1 MHz ≤ ΔF ≤ 3 GHz und/oder 3 GHz ≤ ΔF ≤ 8 GHz und/oder 8 GHz ≤ ΔF ≤ 20 GHz.
• Die induktiven Bauelemente 11, 12 sind gleichartig bzw. baugleich. Das erste induktive Bauelement 11 weist eine erste Impedanz Z_L1 auf, wobei gilt: $${\text{Z}}_{\text{L1}}={\text{R}}_{\text{L1}}+{\text{jX}}_{\text{L1}}={\text{R}}_{\text{L1}}+\text{j}\mathrm{\omega }{\text{L}}_1$$

  

  wobei Z_L1 die komplexe Impedanz, R_L1 der ohmsche Widerstand, X_L1 die induktive Reaktanz bzw. der induktive Blindwiderstand und L₁ die Induktivität des ersten induktiven Bauelements 11 ist.
• Das zweite induktive Bauelement 12 weist eine zweite Impedanz Z_L2 auf, wobei gilt: $${\text{Z}}_{\text{L2}}={\text{R}}_{\text{L2}}+{\text{jX}}_{\text{L2}}={\text{R}}_{\text{L2}}+\text{j}\mathrm{\omega }{\text{L}}_2$$

  

  wobei Z_L2 die komplexe Impedanz, R_L2 der ohmsche Widerstand, X_L2 die induktive Reaktanz bzw. der induktive Blindwiderstand und L₂ die Induktivität des zweiten induktiven Bauelements 12 ist.
• j ist die imaginäre Einheit. ω bezeichnet die Kreisfrequenz, wobei ω = 2 πf gilt. π ist die Kreiszahl und f bezeichnet eine Messfrequenz.
• Für die baugleichen induktiven Bauelemente 11, 12 gilt:
• 0,8 ≤ R_L1/R_L2 ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ R_L1/R_L2 ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ R_L1/R_L2 ≤ 1,05
und/oder
• 0,8 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,05.
• Vorzugsweise gilt: R_L1 = R_L2 = R_L und X_L1 = X_L2 = X_L bzw. L₁ = L₂ = L, so dass sich die Gleichungen (1) und (2) vereinfachen zu: $${\text{Z}}_{\text{L}}={\text{R}}_{\text{L}}+{\text{jX}}_{\text{L}}={\text{R}}_{\text{L}}+\text{j}\mathrm{\omega }\text{L}$$

  
• Die angegebenen Bereiche für R_L1/R_L2 und/oder X_L1/X_L2 gelten in dem gewünschten Frequenzbereich ΔF und in dem gewünschten Gleichstrombereich ΔI_DC. Vorzugsweise stammen die induktiven Bauelemente 11, 12 aus derselben Fertigungscharge bzw. demselben Produktionslos. Die elektrischen Eigenschaften der induktiven Bauelemente 11, 12, insbesondere R_L1/R_L2 und/oder X_L1/X_L2, bestimmen im zu vermessenden Frequenzbereich ΔF und im zu vermessenden Gleichstrombereich ΔI_DC die Ermittlungs- bzw. Ergebnisgenauigkeit. Bei einer definierten gewünschten Ermittlungsgenauigkeit muss dementsprechend sichergestellt sein, dass die elektrischen Eigenschaften im zu vermessenden Frequenzbereich ΔF und im zu vermessenden Gleichstrombereich ΔI_DC weniger variieren als die gewünschte Ermittlungsgenauigkeit.
• Die kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 sind gleichartig bzw. baugleich. Für eine Impedanz Z_Ci des jeweiligen kapazitiven Bauelements 13, 14, 15, 16 gilt: $${\text{Z}}_{\text{Ci}}={\text{R}}_{\text{Ci}}-{\text{jX}}_{\text{Ci}}+{\text{jX}}_{\text{ESLCi}}={\text{R}}_{\text{Ci}}+1\text{/}\left(\text{j}\mathrm{\omega }{\text{C}}_{\text{i}}\right)+\text{j}\mathrm{\omega }{\text{ESL}}_{\text{Ci}}$$

  

  wobei Z_Ci die komplexe Impedanz, R_Ci der ohmsche Verlustwiderstand (auch ESR genannt), X_Ci die kapazitive Reaktanz bzw. der kapazitive Blindwiderstand, C_i die Kapazität, X_ESLCi die induktive Reaktanz der parasitären Induktivität bzw. der induktive Blindwiderstand und ESL_Ci die parasitäre Induktivität des jeweiligen kapazitiven Bauelements 13 bis 16 ist. i ist ein Laufindex, wobei für 2 beispielhaft gilt: i = 1, 2, 3,..., N mit N = 4. N bezeichnet die Anzahl der parallel geschalteten kapazitiven Bauelemente. Für die baugleichen kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 gilt vorzugsweise:
• 0,8 ≤ R_Cn/R_Cm ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ R_Cn/R_Cm ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ R_Cn/R_Cm ≤ 1,05
und/oder
• 0,8 ≤ C_n/C_m ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ C_n/C_m ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ C_n/C_m ≤ 1,05
und/oder
• 0,8 ≤ ESL_Cn/ESL_Cm ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ ESL_Cn/ESL_Cm ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ ESL_Cn/ESL_Cm ≤ 1,05
und/oder
• 0,8 ≤ SRF_Cn/SRF_Cm ≤ 1,2, insbesondere 0,9 ≤ SRF_Cn/SRF_Cm ≤ 1,1, und insbesondere 0,95 ≤ SRF_Cn/SRF_Cm ≤ 1,05,
wobei SRF (Self Resonance Frequency) die Eigensresonanzfrequenz ist, für die insbesondere gilt: $$\text{SRF}=\text{1/}\left(2\mathrm{\pi }\sqrt{C\ast ESL}\right)$$

• Die Indizes n und m sind beliebig ausgewählt aus dem Index i = 1, 2, 3,..., N. Vorzugsweise gilt für die baugleichen kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 R_Cn = R_Cm = R_C und/oder C_n = C_m = C und/oder SRF_Cn SRF_Cm = SRF_C und/oder ESL_Cn = ESL_Cm = ESLc, so dass sich Gleichung (4) vereinfacht zu: $${\text{Z}}_{\text{CP}}=\left({\text{R}}_{\text{C}}-{\text{jX}}_{\text{C}}+{\text{jX}}_{\text{ESLC}}\right)\text{/N}=\left({\text{R}}_{\text{C}}+1\text{/}\left(\text{j}\mathrm{\omega }\text{C}\right)+\text{j}\mathrm{\omega }{\text{ESL}}_{\text{C}}\right)\text{/N}$$

  
• Die angegebenen Bereiche für R_Cn/R_Cm und/oder C_n/C_m und/oder SRF_Cn/SRF_Cm und/oder ESL_Cn/ESL_Cm gelten in dem zu vermessenden Frequenzbereich ΔF und in dem zu vermessenden Gleichstrombereich ΔI_DC.
• Für die Gleichstromquelle 2 stellen die kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 eine Unterbrechung dar. Das Ersatzschaltbild aus Sicht der Gleichstromquelle 2 ist in 3 veranschaulicht. Die induktiven Bauelemente 11, 12 sind für die Gleichstromquelle 2 in Reihe geschaltet. Eine vernachlässigbare Impedanz Z_CP der Parallelschaltung der kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 ist in 3 gestrichelt eingezeichnet.
• Die Impedanz Z_Ci des jeweiligen kapazitiven Bauelements 13 bis 16 ist wesentlich kleiner als die Impedanz Z_L1 des ersten induktiven Bauelements 11 und die Impedanz Z_L2 des zweiten induktiven Bauelements 12. Dies bedeutet, dass auch die Impedanz Z_CP der Parallelschaltung der kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 wesentlich kleiner als die Impedanzen Z_L1 und Z_L2 ist. Im Frequenzbereich ΔF bildet die Impedanz Z_CP näherungsweise einen Kurzschluss, so dass für das Impedanzmessgerät 3 die Impedanzen Z_L1 und Z_L2 parallel geschaltet sind. Das entsprechende Ersatzschaltbild ist in 4 veranschaulicht, wobei die vernachlässigbare Impedanz Z_CP gestrichelt eingezeichnet ist.
• Für einen Impedanzbetrag |Z_L| der jeweiligen Impedanz Z_L1 bzw. Z_L2 gilt im Verhältnis zu einem Impedanzbetrag |Z_CP|: 10 ≤ |Z_L|/|Z_CP| ≤ 100000, insbesondere 30 ≤ |Z_L|/|Z_CP| ≤ 10000, und insbesondere 100 ≤ |Z_L|/|Z_CP| ≤ 1000.
• Die Messanordnung 1 umfasst weiterhin drei Kalibrier-Messschaltungen 17, 18, 19. Die Kalibrier-Messschaltungen 17, 18, 19 sind im strukturellen Aufbau identisch, so dass nachfolgend anhand von 5 lediglich die Kalibrier-Messschaltung 17 im Detail beschrieben ist.
• Die erste Kalibrier-Messschaltung 17 umfasst einen ersten ohmschen Kalibrier-Widerstand 20 mit einem Widerstandswert R₁, einen zweiten ohmschen Kalibrier-Widerstand 21 mit einem Widerstandswert R₂ und kapazitive Kalibrier-Bauelemente 13', 14', 15', 16'. Der erste ohmsche Kalibrier-Widerstand 20 ist mit einem ersten Knoten k₁ und einem Referenzknoten k₀ verbunden. Der zweite ohmsche Kalibrier-Widerstand 21 ist mit einem zweiten Knoten k₂ und dem ersten Knoten k₁ verbunden. Die kapazitiven Kalibrier-Bauelemente 13' bis 16' sind zueinander parallel geschaltet und jeweils mit dem zweiten Knoten k₂ und dem Referenzknoten k₀ verbunden. Die Impedanzen der kapazitiven Kalibrier-Bauelemente 13' bis 16' entsprechen den Impedanzen Z_Ci der kapazitiven Bauelemente 13 bis 16, so dass diese nachfolgend mit Z_Ci‘ bezeichnet werden, wobei i = 1, 2, 3, ... N.
• Die jeweilige Kalibrier-Messschaltung 17, 18, 19 unterscheidet sich somit von der Messschaltung 6 lediglich dadurch, dass die induktiven Bauelemente 11, 12 durch die ohmschen Kalibrier-Widerstände 20, 21 ersetzt sind.
• Für die erste Kalibrier-Messschaltung 17 gilt: R₁ = R₂ = 1 MΩ. Für die zweite Kalibrier-Messschaltung 18 gilt: R₁ = R₂ = 0 Ω. Für die dritte Kalibrier-Messschaltung 19 gilt: R₁ = R₂ = 100 Ω.
• Die Kalibrier-Messschaltungen 17, 18, 19 sind auf einer jeweiligen Kalibrier-Platine 22, 23, 24 ausgebildet, die über eine jeweilige Steckkontaktverbindung 7 mit der Grund-Platine 4 mechanisch und elektrisch verbindbar sind. Im eingesteckten Zustand der jeweiligen Kalibrier-Platine 22, 23, 24 ist die jeweilige Kalibrier-Messschaltung 17, 18, 19 entsprechend der Messschaltung 6 mit der Gleichstromquelle 2 und dem Impedanzmessgerät 3 verbunden. Die Gleichstromquelle 2 ist also mit dem zweiten Knoten k₂ und dem Referenzknoten k₀ und das Impedanzmessgerät 3 mit dem ersten Knoten k₁ und dem Referenzknoten k₀ verbunden.
• Die Messanordnung 1 umfasst weiterhin zwei Prüf-Messschaltungen 25, 26. Die Prüf-Messschaltungen 25, 26 sind im strukturellen Aufbau identisch, so dass nachfolgend anhand von 6 lediglich die Prüf-Messschaltung 25 im Detail beschrieben ist.
• Die erste Prüf-Messschaltung 25 umfasst einen ersten ohmschen Prüf-Widerstand 20' mit einem Widerstandswert R₁‘, einen zweiten ohmschen Prüf-Widerstand 21' mit einem Widerstandswert R₂‘ und kapazitive Prüf-Bauelemente 13", 14", 15", 16". Der erste ohmsche Prüf-Widerstand 20' ist mit einem ersten Knoten k₁‘ und einem Referenzknoten k₀` verbunden. Der zweite ohmsche Prüf-Widerstand 21' ist mit einem zweiten Knoten k<sub>1</sub>‘ und dem ersten Knoten k<sub>1</sub>‘ verbunden. Die kapazitiven Prüf-Bauelemente 13" bis 16" sind zueinander parallel geschaltet und jeweils mit dem zweiten Knoten k<sub>2</sub>‘ und dem Referenzknoten k<sub>0</sub>` verbunden. Die Impedanzen der kapazitiven Bauelemente 13", 14", 15", 16" entsprechen den Impedanzen Z_Ci der kapazitiven Bauelemente 13, 14, 15, 16, so dass diese nachfolgend mit Z_Ci“ bezeichnet werden, wobei i = 1, 2, 3, ... N.
• Die jeweilige Prüf-Messschaltung 25, 26 unterscheidet sich somit von der Messschaltung 6 lediglich dadurch, dass die induktiven Bauelemente 11, 12 durch die ohmschen Prüf-Widerstände 20', 21' ersetzt sind. Für die erste Prüf-Messschaltung 25 gilt R₁‘ = R₂‘ = 10 Ω und für die zweite Prüf-Messschaltung 26 gilt R₁‘ = R₂‘= 1000 Ω. Die Prüf-Messschaltungen 25, 26 unterscheiden sich somit von den Kalibrier-Messschaltungen 17, 18, 19 lediglich durch die Widerstandswerte R₁‘ und R₂‘.
• Die Prüf-Messschaltungen 25, 26 sind auf einer ersten Prüf-Platine 27 und einer zweiten Prüf-Platine 28 ausgebildet, die über eine jeweilige Steckkontaktverbindung 7 mit der Grund-Platine 4 mechanisch und elektrisch verbindbar sind. Im eingesteckten Zustand der ersten Prüf-Platine 27 und der zweiten Prüf-Platine 28 ist die jeweilige Prüf-Messschaltung 25, 26 entsprechend der Messschaltung 6 mit der Gleichstromquelle 2 und dem Impedanzmessgerät 3 verbunden. Die Gleichstromquelle 2 ist also mit dem zweiten Knoten k₂‘ und dem Referenzknoten k₀` und das Impedanzmessgerät 3 mit dem ersten Knoten k₁‘ und dem Referenzknoten k₀‘ verbunden.
• Nachfolgend ist die Funktionsweise der Messanordnung 1 und ein Verfahren zur Ermittlung der Impedanz Z_L anhand von 7 beschrieben:
• Zunächst wird in einem Schritt S₁ eine Kalibrierung des Impedanzmessgeräts 3 durchgeführt. Hierzu werden die Kalibrier-Platinen 22, 23, 24 nacheinander in die Grund-Platine 4 eingesteckt und nacheinander mit den Kalibrier-Messschaltungen 17, 18, 19 drei Kalibriermessungen durchgeführt. Für die Kalibriermessungen ist die Gleichstromquelle 2 ausgeschaltet bzw. wird mittels der Gleichstromquelle 2 ein Gleichstrom i_dc = 0 A eingestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Widerstandswerte R₁ und R₂ der Kalibrier-Messschaltungen 17, 18, 19 wird mittels der Kalibriermessungen eine OSM-Kalibrierung durchgeführt (O: Open, S: Short, M: Match). Die drei Kalibriermessungen erfolgen somit mit Widerstandswerten R₁ und R₂, die einer Unterbrechung, einem Kurzschluss und einem Widerstandswert von 50 Ω entsprechen. Der Widerstandswert von 50 Ω ergibt sich dadurch, dass bei der dritten Kalibrier-Messschaltung 19 für das Impedanzmessgerät 3 die ohmschen Widerstände 20, 21 mit den Widerstandswerten R₁ = R₂ = 100 Ω parallel geschaltet sind. Die Kalibriermessungen sind in 8 in einem Smith-Diagramm dargestellt, wobei Γ einen komplexen Reflexionsfaktor und Re{Γ} den Realteil und Im{Γ} den Imaginärteil des Reflexionsfaktors bezeichnet. Für den Reflexionsfaktor gilt: $$\mathrm{\Gamma }=\left({\text{Z}}_{\text{M}}-{\text{Z}}_{\text{0}}\right)\text{/}\left({\text{Z}}_{\text{M}}+{\text{Z}}_{\text{0}}\right),$$

  

  wobei Z₀ eine Leitungsimpedanz und Z_M eine Abschlussimpedanz bzw. eine zu messende Schaltungsimpedanz bezeichnet. Die Kalibriermessungen sind vor der Kalibrierung des Impedanzmessgeräts 3 mit O‘, S' und M‘ in das Smith-Diagramm gemäß 8 eingezeichnet. Nach der Kalibrierung durch das Impedanzmessgerät 3 wurde die Lage der Kalibriermessungen im Smith-Diagramm korrigiert. Dies ist in 8 durch die Punkte O, S und M veranschaulicht.
• Nach der Kalibrierung des Impedanzmessgeräts 3 erfolgt in einem Schritt S₂ eine Überprüfung der Kalibrierung. Zur Überprüfung der Kalibrierung werden nacheinander die Prüf-Platinen 27, 28 in die Grund-Platine 4 eingesetzt und mittels der Steckkontaktverbindung 7 die Gleichstromquelle 2 und das Impedanzmessgerät 3 an die jeweilige Prüf-Messschaltung 25, 26 angeschlossen. Für die die Prüfmessungen ist die Gleichstromquelle 2 ausgeschaltet bzw. wird mittels der Gleichstromquelle 2 ein Gleichstrom i_dc = 0 A eingestellt. In 8 sind die Prüfmessungen in dem Smith-Diagramm veranschaulicht, wobei P₁‘ und P₂‘ nicht akzeptable Prüfmessungen veranschaulichen und P₁ und P₂ optimale Prüfmessungen veranschaulichen.
• Liegen die Prüfmessungen außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs T, wie dies bei den Prüfmessungen P₁‘ und P₂‘ der Fall ist, so muss die Kalibrierung und Prüfung wiederholt werden. Hierzu werden zunächst die Kontakte überprüft und anschließend die Schritte S₁ und S₂ erneut durchgeführt. Liegen die Prüfmessungen innerhalb des Toleranzbereichs T, wie dies bei dem Prüfmessungen P₁ und P₂ der Fall ist, so wird ein nachfolgend beschriebener Schritt S₃ durchgeführt. Idealerweise liegen die Prüfmessungen P₁ und P₂ auf der Achse Re{Γ}.
• In dem Schritt S₃ erfolgt die Messung der Schaltungsimpedanz Z_M. Hierzu wird die Mess-Platine 5 in die Grund-Platine 4 eingesteckt und mittels der Steckkontaktverbindung 7 die Gleichstromquelle 2 und das Impedanzmessgerät 3 derart an die Messschaltung 6 angeschlossen, dass sich für die Gleichstromquelle 2 das Ersatzschaltbild gemäß 3 und für das Impedanzmessgerät 3 das Ersatzschaltbild gemäß 4 ergibt. Anschließend wird mittels des Impedanzmessgeräts 3 die Schaltungsimpedanz Z_M in Abhängigkeit des eingestellten Gleichstroms i_DC und der eingestellten Messfrequenz f gemessen. Hierzu gibt das Impedanzmessgerät 3 das Messsignal U mit der Messfrequenz f vor. Während der Impedanzmessung variiert die Gleichstromquelle 2 den Gleichstrom i_dc in dem Gleichstrombereich ΔI_DC mit der Schrittweite Δi_DC und das Impedanzmessgerät 3 die Messfrequenz f in dem Frequenzbereich ΔF mit der Schrittweite Δf.
• Aus der gemessenen Schaltungsimpedanz Z_M, die von der Messfrequenz f und dem Gleichstrom i_DC abhängig ist, wird in einem anschließenden Schritt S₄ die Impedanz Z_L der induktiven Bauelemente 11, 12 berechnet. Dadurch, dass die Impedanzen Z_L1 und Z_L2 in dem Ersatzschaltbild gemäß 4 parallel geschaltet sind, ist die Impedanz Z_L aus der Schaltungsimpedanz Z_M wie folgt berechenbar: $${\text{Z}}_{\text{L}}={\text{2Z}}_{\text{M}\text{.}}$$

  
• Die Genauigkeit der Ermittlung der Impedanz Z_L wird dadurch verbessert, dass die Schritte S₃ und S₄ für weitere Mess-Platinen mit entsprechenden Messschaltungen wiederholt werden und aus den ermittelten Impedanzen Z_L der Messschaltungen ein Mittelwert für die Impedanz Z_L gebildet wird.
• 9 zeigt den ohmschen Widerstand R_L in Abhängigkeit der Messfrequenz f und des Gleichstroms i_DC. Entsprechend zeigt 10 den induktiven Blindwiderstand X_L in Abhängigkeit der Messfrequenz f und des Gleichstroms i_DC.
• Die erfindungsgemäße Messanordnung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen eine einfache und genaue Ermittlung der Impedanz Z_L von induktiven Bauelementen 11, 12 in einem weiten Frequenzbereich ΔF und in einem weiten Gleichstrombereich ΔI_DC. Die Impedanz Z_L wird dadurch ermittelt, dass die Schaltungsimpedanz Z_M von zwei induktiven Bauelementen 11, 12 im Zwillingsprinzip gemessen und anschließend die Impedanz Z_L errechnet wird. Die induktiven Bauelemente 11, 12 sind insbesondere SMD-Bauelemente. Die induktiven Bauelemente 11, 12 sind baugleich und insbesondere aus derselben Fertigungscharge bzw. demselben Produktionslos. Schwankungen in den elektrischen Eigenschaften der induktiven Bauelemente 11, 12 bestimmen die Ergebnisgenauigkeit bzw. die Ermittlungsgenauigkeit der Impedanz Z_L. Anders ausgedrückt, je weniger die elektrischen Eigenschaften der induktiven Bauelemente 11, 12 produktionsbedingt voneinander abweichen, desto höher ist die Genauigkeit der ermittelten Impedanz Z_L. Die Genauigkeit wird dadurch erhöht, dass eine Vielzahl von induktiven Bauelementen im Zwillingsprinzip vermessen wird und anschließend ein Mittelwert der berechneten Impedanzen Z_L gebildet wird. Die ermittelte Impedanz Z_L wird in ein Datenblatt der induktiven Bauelemente 11, 12 übernommen, so dass deren Spezifikation erweitert ist. Die ermittelte Impedanz Z_L kann bei einer Schaltungsauslegung berücksichtigt werden. Durch die hohe Freigabestichprobe wird die Impedanz Z_L zuverlässig und genau ermittelt. Das Verfahren ist in einfacher Weise automatisierbar.
• Die kapazitiven Bauelemente 13 bis 16 bzw. 13' bis 16' bzw. 13" bis 16" sind vorzugsweise als Kondensatoren mit einem schlechten Dielektrikum ausgebildet, die eine Eigenresonanzfrequenz SRF unterhalb des Frequenzbereichs ΔF haben. Die Kondensatoren haben oberhalb der Eigenresonanzfrequenz einen Verlustwiderstand, der zu einer niedrigen Impedanz im Frequenzbereich ΔF führt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Impedanz in Abhängigkeit eines Gleichstroms mit den Schritten: - Bereitstellen einer Messschaltung (6) mit -- einem ersten zu vermessenden induktiven Bauelement (11) und einem zweiten zu vermessenden induktiven Bauelement (12), -- mindestens einem kapazitiven Bauelement (13 bis 16), - Anschließen einer Gleichstromquelle (2) derart, dass eine Reihenschaltung der induktiven Bauelemente (11, 12) parallel zu dem mindestens einen kapazitiven Bauelement (13 bis 16) geschaltet ist, - Anschließen eines Impedanzmessgeräts (3) derart, dass eine Reihenschaltung des zweiten induktiven Bauelements (12) und des mindestens einen kapazitiven Bauelements (13 bis 16) parallel zu dem ersten induktiven Bauelement (11) geschaltet ist, - Beaufschlagen der induktiven Bauelemente (11, 12) mit einem Gleichstrom (i_DC) mittels der Gleichstromquelle (2), und - Beaufschlagen der induktiven Bauelemente (11, 12) mit einem sinusförmigen Messsignal (U) und Messen einer Schaltungsimpedanz (Z_M) mittels des Impedanzmessgeräts (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste induktive Bauelement (11) mit einem ersten Knoten (K₁) und einem Referenzknoten (K₀) verbunden ist, dass das zweite induktive Bauelement (12) mit dem ersten Knoten (K₁) und einem zweiten Knoten (K₂) verbunden ist, dass das mindestens eine kapazitive Bauelement (13 bis 16) mit dem zweiten Knoten (K₂) und dem Referenzknoten (K₀) verbunden ist, dass die Gleichstromquelle (2) mit dem zweiten Knoten (K₂) und dem Referenzknoten (K₀) verbunden ist, und dass das Impedanzmessgerät (3) mit dem ersten Knoten (K₁) und dem Referenzknoten (K₀) verbunden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Bauelemente (11, 12) baugleich sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (6) mehrere kapazitive Bauelemente (13 bis 16) aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (6) mehrere kapazitive Bauelemente (13 bis 16) aufweist, die baugleich sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom (i_DC) zwischen 0 A und 3 A und/oder zwischen 3 A und 5 A und/oder zwischen 5 A und 20 A variiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messfrequenz (f) des sinusförmigen Messsignals (U) zwischen 1 MHz und 3 GHz und/oder zwischen 3 GHz und 8 GHz und/oder 8 GHz und 20 GHz variiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine kapazitive Bauelement (13 bis 16) in einem Frequenzbereich (ΔF) einen Impedanzbetrag |Z_CP| hat und für einem Impedanzbetrag |Z_L| einer Impedanz (Z_L) der induktiven Bauelemente (11, 12) im Verhältnis zu dem Impedanzbetrag |Z_CP| gilt: 10 ≤ |Z_L|/|Z_CP| ≤ 100000.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer Kalibrier-Messschaltung (17, 18, 19) eine Kalibrierung des Impedanzmessgeräts (3) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kalibrier-Messschaltung (17, 18, 19) entsprechend der Messschaltung (6) aufgebaut ist und das erste induktive Bauelement (11) durch einen ersten Kalibrier-Widerstand (20) und das zweite induktive Bauelement (12) durch einen zweiten Kalibrier-Widerstand (21) ersetzt sind.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kalibrier-Widerstand (20) mit einem ersten Knoten (k₁) und einem Referenzknoten (k₀) verbunden ist, dass ein zweiter Kalibrier-Widerstand (21) mit dem ersten Knoten (k₁) und einem zweiten Knoten (k₂) verbunden ist, dass mindestens ein kapazitives Kalibrier-Bauelement (13' bis 16') mit dem zweiten Knoten (k₂) und dem Referenzknoten (k₀) verbunden ist, dass die Gleichstromquelle (2) mit dem zweiten Knoten (k₂) und dem Referenzknoten (k₀) verbunden ist, und dass das Impedanzmessgerät (3) mit dem ersten Knoten (k₁) und dem Referenzknoten (k₀) verbunden ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer Prüf-Messschaltung (25, 26) eine Überprüfung der Kalibrierung des Impedanzmessgeräts (3) durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Prüf-Messschaltung (25, 26) entsprechend der Messschaltung (6) aufgebaut ist und das erste induktive Bauelemente (11) durch einen ersten Prüf-Widerstand (20') und das zweite induktive Bauelement (12) durch einen zweiten Prüf-Widerstand (21') ersetzt sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Prüf-Widerstand (20') mit einem ersten Knoten (k₁‘) und einem Referenzknoten (k₀‘) verbunden ist, dass ein zweiter Prüf-Widerstand (21') mit dem ersten Knoten (k₁‘) und einem zweiten Knoten (k₂‘) verbunden ist, dass mindestens ein kapazitives Prüf-Bauelement (13" bis 16") mit dem zweiten Knoten (k₂‘) und dem Referenzknoten (k₀‘) verbunden ist, dass die Gleichstromquelle (2) mit dem zweiten Knoten (k₂‘) und dem Referenzknoten (k₀‘) verbunden ist, und dass das Impedanzmessgerät (3) mit dem ersten Knoten (k₁‘) und dem Referenzknoten (k₀‘) verbunden ist.
15. Messanordnung (1) zur Ermittlung einer Impedanz von induktiven Bauelementen in Abhängigkeit eines Gleichstroms umfassend - eine Gleichstromquelle (2), - ein Impedanzmessgerät (3), - eine Messschaltung (6) mit -- einem ersten zu vermessenden induktiven Bauelement (11) und einem zweiten zu vermessenden induktiven Bauelement (12), -- mindestens einem kapazitiven Bauelement (13 bis 16), - erste Anschlüsse (8, 8') zum Anschließen der Gleichstromquelle (2) derart, dass eine Reihenschaltung der induktiven Bauelemente (11, 12) parallel zu dem mindestens einen kapazitiven Bauelement (13 bis 16) geschaltet ist, - zweite Anschlüsse (9, 9') zum Anschließen des Impedanzmessgeräts (3) derart, dass eine Reihenschaltung des zweiten induktiven Bauelements (12) und des mindestens einen kapazitiven Bauelements (13 bis 16) parallel zu dem ersten induktiven Bauelement (11) geschaltet ist.
16. Messanordnung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (8, 8', 9, 9') auf einer Grund-Platine (4) ausgebildet sind, dass die Messschaltung (6) auf einer Mess-Platine (5) ausgebildet ist, die über eine Steckkontaktverbindung (7) mit der Grund-Platine (4) mechanisch und elektrisch verbunden ist.

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