MFIA を使用した高Q 100 pF コンデンサの特性評価
MFIA 5MHz インピーダンスアナライザ / 高精度 LCRメーター
前書き
別のブログ記事では、3000 F コンデンサの調査に MFIA を使用する方法について説明しました。ここでは、100 pF コンデンサを調査するためにスペクトルの反対側に目を向けます。具体的には、このブログ記事では、高Q（低損失）の市販の SMD コンデンサ（セラミックとポリマーフィルムの両方）について調べています。コンデンサには幅広い種類の誘電体を使用できますが、私たちはクラスIのセラミックおよびポリマーフィルムコンデンサの選択に焦点を当てています。
図1：一般的なコンデンサ誘電体のQ値 ウィキペディアからの引用
100 pF という値は、今日の回路で最も一般的に使用されている SMD コンデンサの範囲の真ん中に収まるように選択されています。安価な低Q からハイエンドの高Q まで、８つの市販の 100 pF コンデンサを測定しました。 コンデンサは、Johanson、Murata、ATC、AVX などの有名な製造元から入手しています。表1 は、このブログ記事で特性評価のために選択された 100 pF コンデンサの概要を示しています。
表1：ブログ投稿で特性評価のために選択された100 pFコンデンサのリスト
実験設定
このブログ記事でテストされた各コンデンサは、低容量キャリア（1 fF、図2 の写真を参照）にハンダ付けされています。 次に、800 mV の駆動電圧で、12 分で 200 Hz〜1 MHz の範囲で各インピーダンス掃引（300ポイント）を実行しました。各部品間で比較できるように、すべての設定は各コンデンサに対して一定に保たれた。掃引の経路は、図2 のリアクタンスチャートで、200 Hz から 1 MHz の 100 pF の対角線に沿ってオレンジ色の矢印で示されています。このチャートから、MFIA がこのパスに沿って0.05% の最適精度を達成していることがわかります。 図2 は、MFIA の位相精度も示しています（右図）。
図2：100 pF コンデンサの特性評価に使用されたインピーダンス掃引の経路を示すオレンジ色の矢印の上にあるMFIAのリアクタンスチャート（左側の図）。 この掃引に沿った精度は、0.1% から 0.05% の範囲です。右側の図は、MFIA の位相精度を示しています。
使いやすいフィクスチャ補正
MFIA の重要な特徴は、器具から来る寄生成分を補正するときにユーザーをガイドする使いやすい補正アドバイザです。ユーザー補正は標準モードでほんの数分で実行できますが、このブログ記事のデータでは、高精度のユーザー補正を実行することにしました。高精度のユーザー補正により、ユーザーはユーザー校正中に測定された周波数範囲とポイント数の両方を選択することができます。さらに、高精度のユーザー補正では平均化時間とセトリング時間が長くなるため、補正時のノイズが少なくなります。
図3：MFITF フィクスチャに挿入された低容量（1fF）キャリアに取り付けられた 100pF SMD コンデンサの写真
コンデンサの電気的性能を評価する際の最も重要な要素は、品質係数（Q）と等価直列抵抗（ESR）です。電流と電圧の位相も基本的に重要なので、各コンデンサからの位相トレースを示します。
Q値とESRは次の関係にあります。
ここで、Xc は容量性リアクタンスです。 Q と ESR は相互に関連していますが、各パラメータは通常それ自体で使用されているため、明確にするために両方のパラメータを別々の図に示しています。
Q 値から始めて、上式から、それが ESR に反比例することがわかります。より一般的に言うと、Q ファクタは、ESR によって失われたエネルギに対する蓄積されたエネルギの比率を示します。ゼロの ESR を持つ完璧なコンデンサは無限の Q ファクタを持ちます。Q 値もリアクタンスと ESR（それ自体周波数に依存します）の両方に依存するため、周波数に強く依存します。Q と ESR は通常、1MHz などの単一周波数の共振線路を使用して測定されますが、このブログでは、低周波数から 1MHz までの連続掃引でこれらの重要なパラメータを測定するために MFIA を使用する方法を示します。
図4 は、MFIA を制御する LabOne ソフトウェアのスクリーンショットです。図の下部に表示されているスイーパーモジュールは、8つの候補コンデンサのそれぞれについて、Q ファクタの８つの色分けされたトレースを表示します。トレースは、図の右下の凡例で説明されているように色分けされています。一般的に Q 値のトレースを見ると、1つを除くすべてのコンデンサに Q 値の強い周波数依存性があることがわかります。つまり、村田からの NP0（黄色い跡）です。他のすべてのコンデンサは、1 kHz まで Q が増加し、10 kHz 以降は減少します。 Q-Factor に関しては、AVX の 1111 コンデンサが最も優れています。ピンク色のトレースは、60,000 を超える Q ファクタを示しています（一番上の水平カーソル行は 60,000 に設定されています）。
図4：８つの市販コンデンサの Q ファクタ（Q）のインピーダンス掃引を示す LabOne のスクリーンショット。右側の凡例に示すように、８個のコンデンサのトレースは色分けされています。スイーパー内のカーソル線は、60,000 を超える Q 係数を示します（ピンクのトレース）。
次に注目するパラメータは等価直列抵抗（ESR）です。これは、特定の周波数におけるコンデンサの直列抵抗の尺度です。完璧なコンデンサはゼロ抵抗を持ち、電圧は電流より正確に 90 度遅れます。しかし、現実の世界では、コンデンサのリード線、接続部、およびハウジング、さらには絶縁誘電体によって、ESR が存在します。これはコンデンサと直列に接続された抵抗としてモデル化されているため、ESR と呼ばれています。ESR が低いほど、回路で消費される電力が少なくなり、過熱が少なくなり、バッテリ寿命が長くなります。ESR は通常 1 MHz の単一周波数で引用されていますが、これは周波数に依存する動作を十分に説明していません。このブログのデータは、図5 に示すように、200 Hz から 1 MHz までの ESR の振る舞いを示しています。図5 は、掃引ウィンドウの右側にある 200 Hz で 2500 オームから始まる ESR 値を示しています。Johanson コンデンサの場合は 1 MHz（オレンジトレース）。 Murata（ピンク色のトレース）と ATC からの P90（青いトレース）の両方の場合、ESR がまだ完全に飽和していないことを示すが、それらの ESR は 200 mOhm 未満であることがわかります。
図5：8個の市販コンデンサの等価直列抵抗（ESR）のインピーダンス掃引。右側の凡例に示すように、8個のコンデンサのトレースは色分けされています。
図6：LabOne 各コンデンサの電圧と電流の位相を示すスクリーンショット。右側の凡例に示すように、８個のコンデンサのトレースは色分けされています。
結論
MFIA インピーダンスアナライザは、８つの市販の高 Q 100 pF コンデンサの Q、ESR、および位相を測定するために使用されてきました。 Q ファクタは 60,000 を超え、ESR は最低 20 0mΩ、位相は 5 ミリ度 90 度以内で測定されます。MFIA は、その基盤となる最先端のロックインテクノロジを利用してこれを実現しています。さらに、MFITF フィクスチャの低い寄生成分と、高精度のユーザ補償を組み合わせることで、可能な限り最良の位相測定が可能になります。