C-V測量技術、技巧與陷阱——常見C-V測量誤差 I

偏移[1]和增益誤差[2]（如圖7所示）是C-V測量中最常見的誤差。X軸以對數(shù)標度的方式給出了電容的真實值，大小范圍從皮法到納法。Y軸表示系統(tǒng)實際測量的值，包含測量誤差。如果測量系統(tǒng)是理想的，那么所測出的值將與真實值完全匹配，可以畫成一條具有45度角的直線，如圖7中黑色的線所示。實際上，增益和偏移誤差（藍線和紅線）總是會出現(xiàn)，必須進行校正。


增益、額定值、偏移量
圖7.電容測量中的增益和偏移誤差[3]
由于坐標軸是對數(shù)形式的，因此藍線所示的偏移誤差就表示小電容上的小誤差以及大電容上的大誤差。由于偏移誤差變化這么大，校正這種誤差必須注意兩個方面。當測量很小的電容（<10pF），即大阻抗時，最好的校正方法是“開路校正”。當測量較大的電容（高達10nF），即小阻抗時，最好采用“短路校正”。
圖7中還給出了增益誤差，以紅線所示。增益誤差的變化取決于所測電容的大小，它們相比偏移誤差更難以校正。“負載校正”是校正增益誤差的一種方法。進行負載校正時需要連接一個已知的標準負載，測量它，然后計算比值使得測量的值與已知的負載相匹配。負載校正的局限性在于，當負載大小接近于待測器件時，它的效果最好。例如，如果我們想要測量10MHz下的一個5pF電容，這表示負載約為3千歐姆，那么，校正這一測量就需要找到3千歐姆的標準負載。如果待測器件的尺寸變化很大（通常就是如此），這樣做就不切實際了，因此負載校正方法實際上不適用于一般的實驗室應用。


CVU儀器[4]、Z短路、Z開路、Z負載、探針
圖8.
開路、短路和負載校正實際上是在干什么？圖8給出了一個交流阻抗測試[5]系統(tǒng)的簡化模型，其中添加了集總元件表示開路、短路和負載誤差項。測量系統(tǒng)的所有組成部分——所有線纜、所有探針和所有卡盤——已集總在一起，表示為Z開路（開路阻抗誤差）、Z短路（短路電路阻抗誤差）和Z負載（負載校正組件）。在這個測試系統(tǒng)上進行校正的第一步是在探針之間形成短路，通常做法是將兩個探針頭放在同一個接觸pad上。然后用電容計測量電容值，并將其保存為剩余短路阻抗。第二步是抬起探針，使其保持在接近測量實際器件時應有的方向。然后電容計測量電容值，將其保存為剩余開路阻抗。如果需要，可以在探針之間加一個已知的阻抗負載，用電容計測量其值，將其保存為負載校正。下面的公式用于在測量中應用這些校正。



其中：
Zfinal=最終經(jīng)過校正的測量阻抗
Zm=測得的阻抗
Load ratio=測得的負載校正
Zs=測得的短路校正
Zo=測得的開路校正

Zfinal是根據(jù)這一公式應用這些校正所得到的最終結果。如果校正值關閉，它就會進入缺省狀態(tài)，使其對這一公式不可見。值得注意的是一個重要問題，如果這些校正實現(xiàn)的不正確，它們實際上將使得最終的測量值還不如完全不進行校正的正確！幸運的是，為了提高易用性，當前大多數(shù)交流阻抗表都已內(nèi)置了開路、短路和負載校正以及相應的計算公式。