Vereenvoudig het ontwerp van nauwkeurige impedantieanalysators met een systeem-op-module-benadering

Veel toepassingen vereisen nauwkeurige impedantiemetingen, waaronder kalibratie van aanraakpanelen, karakterisering van halfgeleiders, acceptatie van wafers en batterijtests. Geautomatiseerde testapparatuur (ATE) voor deze toepassingen moet meestal impedantie meten over een breed frequentiebereik met een hoge nauwkeurigheid en gevoeligheid.

Het ontwikkelen van een op maat gemaakt impedantiemeetapparaat voor deze toepassingen brengt vele uitdagingen met zich mee, waaronder hardwareontwerp, softwareontwikkeling en testen. Deze parameters vereisen veel expertise op het gebied van analoge en digitale signaalverwerking en kunnen vertragingen veroorzaken die de planning en het budget van een project in gevaar brengen.

Om deze uitdagingen te omzeilen, kunnen ontwerpers een systeem-op-module (SOM) kiezen waarin de kritieke hardware en software die nodig zijn voor zeer nauwkeurige impedantiemetingen vooraf zijn geïntegreerd. Met een dergelijke module kunnen ontwerpers zich richten op hun kerncompetenties en toepassingsspecifieke ontwikkeling in plaats van op de fijne kneepjes van impedantiemetingstechnologie.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de belangrijkste vereisten voor impedantiemetingen in ATE. Vervolgens wordt een geschikte impedantie-analyzer SOM van Analog Devices Inc. (ADI) geïntroduceerd en wordt gedemonstreerd hoe de module gebruikt kan worden met de bijbehorende evaluatiekaart.

Vereisten voor nauwkeurige impedantiemetingen in ATE

ATE voor toepassingen zoals het kalibreren van aanraakpanelen, halfgeleiderkarakterisering, waferacceptatie en batterijtests hebben specifieke vereisten, waaronder:

• Breed frequentiebereik, vaak van minder dan 1 hertz (Hz) tot megahertz (MHz)
• Hoge nauwkeurigheid en consistentie, gewoonlijk 0,1% of beter
• Hoge gevoeligheid om kleine impedantieveranderingen te meten
• Hoge meetsnelheden voor high-throughput testen
• De mogelijkheid om een breed scala aan impedantiewaarden te verwerken, van microohm (µΩ) tot megaohm (MΩ)
• Mogelijkheid voor geautomatiseerde sweeps en complexe meetreeksen

Het is goed om op te merken dat de vereisten per toepassing aanzienlijk kunnen verschillen. Kalibratie van aanraakpanelen kan bijvoorbeeld gevoeligheid voor capaciteitsveranderingen in het femtofarad-bereik (fF) vereisen, terwijl de gevoeligheid voor waferacceptatie in het attofarad-bereik (aF) kan liggen.

Uitdagingen bij het ontwerpen van precisie impedantiemetingen voor ATE

Het ontwikkelen van ATE voor deze toepassingen vereist aanzienlijke expertise en middelen, wat kan leiden tot lange ontwikkelingscycli en hoge eenmalige engineeringkosten. Uitdagingen met betrekking tot het ontwerp van aangepaste impedantiemetingen zijn onder andere de volgende:

• Complex hardwareontwerp: Het maken van zeer nauwkeurige analoge front-ends die nauwkeurige metingen kunnen verrichten over een breed frequentie- en impedantiebereik vereist expertise in analoge en digitale signaalverwerking en zorgvuldige aandacht voor de lay-out van printplaten en afschermingsdetails.
• Geavanceerde softwareontwikkeling: Het implementeren van impedantieberekening, kalibratie en compensatiealgoritmen is complex. Ondersteuning van meerdere meetformaten en geautomatiseerde sweeps maakt het nog ingewikkelder.
• Kalibratie en nauwkeurigheid: Het bereiken en behouden van een hoge nauwkeurigheid onder verschillende meetomstandigheden vereist geavanceerde kalibratieprocedures en compensatietechnieken.

Een kant-en-klare evaluatiemodule zoals ADMX2001B van ADI kan deze uitdagingen aanzienlijk vereenvoudigen. Deze SOM integreert de belangrijkste componenten van een precisie impedantie-analyzer in een compacte 1,5 x 2,5 inch (in.). Zoals geïllustreerd in Afbeelding 1, wordt de module aangesloten op het EVAL-ADMX2001EBZ-evaluatiebord, die wordt geleverd met software voor ontwerpexploratie en rapid prototyping.

Afbeelding 1: De ADMX2001B-impedantiemeetmodule wordt in het EVAL-ADMX2001EBZ-evaluatiebord gestoken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hoewel de module niet bedoeld is voor productieontwerpen, zijn het schema, de stuklijst (BOM), Gerber-bestanden en firmware beschikbaar. Hierdoor kunnen bedrijven hun eigen versie van de module bouwen of deze integreren in een groter ontwerp. Hoe dan ook, het vooraf ontworpen ontwerp neemt veel uitdagende taken uit handen, zodat bedrijven zich kunnen richten op hun gespecialiseerde gebieden.

Het maken van een module is een bijzonder interessante optie, die ontwikkelaars een eenvoudig, kosteneffectief pad biedt om hun ontwerp op te schalen. Bij het toevoegen van functies of het aanpassen van het ontwerp voor verschillende gebruikssituaties, kunnen ontwikkelaars de module behouden als de kern van hun ontwerp in plaats van helemaal opnieuw te beginnen.

Overzicht van functies en prestaties van ADMX2001B

De ADMX2001B combineert hoogwaardige gemengde schakelingen en geavanceerde verwerkingsalgoritmen voor nauwkeurige impedantiemetingen. De module biedt een veelzijdig frequentiebereik van DC tot 10 MHz en een hoge meetnauwkeurigheid van 0,05%. Het apparaat dekt een breed weerstandsbereik van 100 µΩ tot 20 MΩ, een capaciteit van 100 aF tot 160 F en een inductie van 1 nanohenry (nH) tot 1600 henrys (H). Het apparaat kan metingen uitvoeren met een snelheid van 2,7 milliseconden (ms) per meting en biedt 18 formaten voor impedantiemetingen die geschikt zijn voor verschillende toepassingen en componenttypen.

Dankzij geautomatiseerde functies, waaronder meerpunts- en parametrische sweeps en DC-weerstandsmetingen, kan de ADMX2001B complexe reeksen en grondige componentkarakterisering uitvoeren zonder handmatige tussenkomst. Geautomatiseerde kalibratieroutines, een niet-vluchtig geheugen en compensatiefuncties zorgen voor traceerbaarheid van de metingen, betrouwbaarheid en eliminatie van parasieten in de opspanning. Het compacte formaat van de module met UART-, SPI- en GPIO-interfaces maakt eenvoudige integratie in high-density testsystemen en draagbare apparatuur mogelijk. Daarnaast ondersteunt het ontwikkeling op Windows-, macOS-, Linux-, Raspberry Pi- en Arduino-platforms, waardoor het kan worden aangepast aan grotere systemen of aangepaste toepassingen.

Deze mogelijkheden maken de module geschikt voor een groot aantal veeleisende toepassingen.

Overzicht van het EVAL-ADMX2001EBZ-evaluatiebord

Ontwikkelaars kunnen het EVAL-ADMX2001EBZ-evaluatie- en ontwikkelingsbreakoutbord gebruiken om ontwerpideeën met de ADMX2001B te verkennen. Dit bord biedt gemakkelijke toegang tot de functionaliteit van de module en de functies:

• BNC-connectoren die kunnen worden aangesloten op gangbare testsondes en -bevestigingen voor inductie-, capaciteits- en weerstandsmeters (LCR)
• UART-interface die kan worden gebruikt met USB-naar-UART-kabels voor een interface met de host-pc
• Trigger- en kloksynchronisatiesignalen beschikbaar via SMA-connectors die de aansluiting op standaard testapparatuur vereenvoudigen
• Arduino-stijl headers waarmee de gebruiker embedded code kan ontwikkelen met borden zoals de SDP-K1
• Een voedingsaansluiting die verschillende ingangsspanningen accepteert van AC/DC-voedingsadapters die 5 volt tot +12 volt kunnen leveren

Het primaire doel van het evaluatiebord is om een LCR-meter te demonstreren. Om deze demonstratie uit te voeren is extra hardware nodig:

• LCR-meteraccessoires, zoals testopstellingen
• IJkaccessoires, zoals standaardweerstandssets
• Een benchtop LCR-meter voor verificatie van de demoresultaten

De demo vereist ook extra software:

• Virtuele COM-poortdrivers (VCP) die ervoor zorgen dat het USB-apparaat verschijnt als een extra COM-poort die beschikbaar is voor de pc
• ADI Mbed-code die basisbewerkingen zoals kalibratie mogelijk maakt met het Arm® Mbed-platform
• TeraTerm of vergelijkbare terminalemulators die ANSI escape-codes ondersteunen die worden gebruikt voor cursorpositionering en tekstkleur

Gebruik van de EVAL-ADMX2001EBZ voor een LCR-meterdemo

Het opzetten van de demo is een eenvoudig proces. De basisstappen zijn als volgt:

1. Hardwareopstelling (Afbeelding 2):

• Sluit de ADMX2001B-module aan op het EVAL-ADMX2001EBZ-evaluatiebord .
• Sluit de USB-naar-UART-kabel (meegeleverd) aan op het bord en de hostcomputer.
• Sluit de voeding aan met de meegeleverde voedingsadapter.

Afbeelding 2: Dit is een blokschema van de opstelling van het EVAL-ADMX2001EBZ-evaluatieboard. (Bron afbeelding: Analog Devices)

2. Software instellen:

• Installeer de VCP-drivers.
• Installeer TeraTerm (of een vergelijkbare terminal emulator).

3. Basisconfiguratie (Afbeelding 3):

• Open de terminalemulator en maak een seriële verbinding.
• Gebruik commando's om meetparameters zoals frequentie, amplitude en bias in te stellen.

Afbeelding 3: Dit is een screenshot van de ADMX2001B-terminalinterface. (Bron afbeelding: Analog Devices)

4. Kalibratieprocedure:

• De ADMX2001B vereist een kalibratieproces in drie stappen.
• Na gebruik van de commando's "kalibreer open", "kalibreer kort" of "kalibreer rt" moeten ontwerpers de aanwijzingen volgen om respectievelijk open, kort en belastingsmetingen uit te voeren.
• Voor de beste resultaten moeten kalibratiestandaarden van hoge kwaliteit worden gebruikt.
• Na het proces moeten de kalibratiecoëfficiënten worden opgeslagen in het niet-vluchtige geheugen op de kaart.

5. Fixturecompensatie:

• Ontwerpers moeten fixturecompensatie uitvoeren om parasitaire effecten bij het gebruik van testopstellingen te elimineren.
• De in de firmware opgenomen fixturecompensatiefuncties kunnen worden gebruikt.

6. Verificatie:

• Na kalibratie worden metingen uitgevoerd met bekende standaarden om de nauwkeurigheid te controleren.

7. Afmetingen:

• Het commando "z" moet worden gebruikt om impedantiemetingen uit te voeren.
• Om het meetformaat te wijzigen, wordt "display" gebruikt (bijvoorbeeld "display 6" voor impedantie in rechthoekige coördinaten).
• Ontwerpers stellen vervolgens de meetmodi, bereiken en andere parameters in die nodig zijn voor de toepassing.
• Commando's als "gemiddeld" en "tellen" kunnen meerdere metingen configureren.

Conclusie

Het ontwerpen van impedantiemeetapparatuur brengt aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee, van lastige printplaatlayouts tot complexe signaalverwerkingssoftware. Met behulp van een kant-en-klare SOM zoals ADMX2001B van ADI kunnen ontwerpers veel van deze complexiteiten overslaan. Hierdoor kunnen ze zich richten op hun unieke waarde, terwijl ze tijd en kosten besparen en een eenvoudig pad hebben voor het maken van toekomstige afgeleide ontwerpen.