Hai kỹ sư đo cùng một tụ điện, cùng một tần số, bằng hai máy khác nhau, và ra hai giá trị điện dung lệch nhau vài phần trăm. Phản xạ đầu tiên là nghi ngờ máy. Nhưng phần lớn trường hợp cả hai máy đều đúng — chúng đang trả về hai đại lượng khác nhau mà cùng được gọi là “điện dung”. Đây là điểm khiến đo LCR khác hầu hết phép đo khác trên bàn: kết quả phụ thuộc vào một lựa chọn của người đo, và nếu không ai nói ra lựa chọn đó thì hai kết quả không so sánh được.
Bài viết làm rõ lựa chọn đó — mô hình tương đương nối tiếp hay song song — cùng hai thứ luôn phải nói kèm: hệ số Q và cấu hình đấu nối bốn cực đôi.
Vì sao “điện dung” không phải một con số duy nhất
Mọi linh kiện thụ động thực đều là tổ hợp của phần phản kháng và phần tổn hao. Máy đo LCR đo phần thực và phần ảo của trở kháng, rồi tính ra các tham số quen thuộc R, X, G, B, C và L. Nhưng để quy tổ hợp đó về “một tụ và một điện trở”, có hai cách ghép: mắc nối tiếp hoặc mắc song song.
Điểm mấu chốt: hai mạch tương đương này có cùng trở kháng phức tại một tần số duy nhất. Ở mọi tần số khác, trở kháng của chúng khác nhau. Vì vậy chúng không phải hai cách viết của cùng một vật — chúng là hai mô hình khác nhau, và chỉ một trong hai mô tả đúng linh kiện trên dải tần bạn quan tâm.
Chọn mô hình tương đương nối tiếp hay song song
Quy tắc thực hành dựa trên độ lớn trở kháng của linh kiện tại tần số đo. Cẩm nang đo trở kháng của Keysight chia thô làm ba vùng, lấy 1 kΩ và 100 kΩ làm ranh giới: vùng trở kháng thấp dùng mô hình nối tiếp, vùng trở kháng cao dùng mô hình song song, vùng giữa phủ bằng phần mở rộng của một trong hai. Ranh giới xê dịch đôi chút tùy tần số và loại linh kiện.
Lý do vật lý thì đơn giản. Tụ trị số lớn ở tần số cao có trở kháng nhỏ, tổn hao chi phối bởi điện trở nối tiếp tương đương của bản cực và chân — mô hình nối tiếp mô tả đúng. Tụ trị số nhỏ ở tần số thấp có trở kháng lớn, tổn hao chi phối bởi dòng rò qua điện môi, tức là một điện trở mắc song song.
Các giá trị đo được ở hai mô hình liên hệ với nhau qua hệ số tổn hao D bằng những công thức đơn giản:
- Cs = Cp(1 + D²) và Cp = Cs/(1 + D²)
- Ls = Lp/(1 + D²) và Lp = Ls(1 + D²)
- Rs = RpD²/(1 + D²) và Rp = Rs(1 + 1/D²)
Từ đó rút ra ba kết luận thực dụng mà mọi người đo LCR nên thuộc.
Thứ nhất, với linh kiện tổn hao thấp, chuyện chọn nhầm mô hình gần như không ảnh hưởng tới trị số C hay L. Khi D nhỏ hơn 0,03, chênh lệch giữa Cs và Cp — và cũng là giữa Ls và Lp — dưới 0,1 %. Đây là lý do nhiều người đo tụ gốm chất lượng cao cả đời mà chưa từng gặp vấn đề này.
Thứ hai, với thành phần điện trở thì ngược lại hoàn toàn: chênh lệch giữa Rs và Rp tăng theo tỉ lệ 1/D². Chính với những linh kiện tổn hao thấp — nơi trị số C an toàn — trị số điện trở lại lệch nhau hàng trăm tới hàng nghìn lần nếu chọn sai mô hình. Nếu chỉ tiêu nghiệm thu đặt trên ESR, khai báo mô hình đo là bắt buộc.
Thứ ba, D và Q không phụ thuộc vào mô hình đo. Hai đại lượng này giống nhau ở cả hai chế độ, nên chúng là cách an toàn nhất để so sánh số liệu giữa hai phòng thí nghiệm khi không rõ bên kia đã dùng mô hình nào.
Hệ số Q và hệ số tổn hao D
Hệ số phẩm chất Q đo mức độ “thuần phản kháng” của một linh kiện — tỉ số giữa năng lượng tích trữ và năng lượng tiêu tán. Q là đại lượng không thứ nguyên, định nghĩa bằng tỉ số điện kháng trên điện trở, hoặc tương đương là điện nạp trên điện dẫn:
Q = Xs/Rs = ωLs/Rs = 1/(ωCsRs) = Bp/Gp
Hệ số tổn hao D là nghịch đảo của Q: D = Rs/Xs = ωCsRs. Về nội dung thông tin, hai đại lượng hoàn toàn tương đương. Theo thông lệ ngành, Q thường được dùng cho cuộn cảm, còn với tụ điện người ta quen dùng D. Lưu ý khi đọc phiếu kết quả: cả Q lẫn D đều phụ thuộc tần số, nên một con số Q trần trụi không kèm tần số đo là vô nghĩa.
Cấu hình bốn cực đôi và bù đồ gá
Phần còn lại của sai số nằm ở dây đo và đồ gá, và đây là nơi chênh lệch giữa hai phép đo thường lớn hơn cả chuyện mô hình.
Cấu hình bốn cực đôi (four-terminal pair, 4TP) giải quyết vấn đề ghép hỗ cảm giữa các dây dẫn bằng hai cơ chế. Thứ nhất, lớp vỏ ngoài của cáp đồng trục làm đường hồi cho dòng tín hiệu thử và không được nối đất; dòng trong lõi và dòng trong vỏ ngược chiều và bằng nhau, nên từ trường của chúng triệt tiêu lẫn nhau — dây đo do đó không đóng góp thêm sai số vì tự cảm hay hỗ cảm. Thứ hai, vôn kế véc-tơ đo hiệu điện thế vi sai giữa lõi và vỏ, tiếp tục giảm ảnh hưởng của hỗ cảm còn lại.
Kết quả: cấu hình 4TP mở rộng dải đo trở kháng xuống dưới 1 mΩ. Để so sánh, cấu hình năm cực phủ dải khoảng 10 mΩ đến 10 MΩ và vẫn còn vướng vấn đề ghép hỗ cảm.
Cảnh báo đi kèm rất dễ vi phạm: nếu các lớp vỏ của cáp đồng trục không được nối liền với nhau đúng cách tại đầu cáp, cấu hình 4TP sẽ không hoạt động hiệu quả — dải đo bị thu hẹp, và trong một số trường hợp phép đo không thực hiện được. Nói cách khác, 4TP không phải thuộc tính của máy, mà là thuộc tính của cách bạn đấu dây đến tận điểm tiếp xúc linh kiện.
Về bù sai số, máy được hiệu chuẩn tại cực UNKNOWN, nhưng linh kiện thì nằm trên đồ gá chứ không nằm ở mặt phẳng hiệu chuẩn. Ba công cụ bù tương ứng ba lớp sai số: bù hở/ngắn loại bỏ dư lượng của đồ gá; bù hở/ngắn/tải xử lý các sai số phức tạp mà bù hở/ngắn không giải quyết được; và hiệu chỉnh chiều dài cáp bù đặc tính truyền dẫn của dây đo. Kỹ thuật che chắn (guarding) dùng để giảm ảnh hưởng của trở kháng song song khi đo trong mạch.
Chọn thiết bị Keysight cho đo LCR
Máy đo LCR Keysight E4980A là cấu hình chuẩn cho phần lớn công việc đo linh kiện thụ động trên bàn. Máy phủ dải 20 Hz đến 2 MHz với phân giải 4 chữ số ở mọi thang, độ chính xác cơ bản 0,05 %, và độ lặp lại tốt ở cả vùng trở kháng thấp lẫn vùng trở kháng cao — chính là hai vùng mà chuyện chọn mô hình gây rắc rối nhất.
Ba tính năng đáng chú ý cho công việc sản xuất: thời gian đo nhanh nhất 5,6 ms, quét danh sách 201 điểm cho phép chạy một chuỗi tần số và mức tín hiệu trong một lần kích, và tùy chọn 001 nâng mức tín hiệu thử lên 20 Vrms kèm tăng cường phân cực DC. Với linh kiện có đặc tính phụ thuộc mức kích thích — tụ gốm lớp II là ví dụ kinh điển — khả năng đặt mức tín hiệu cao là điều kiện cần để đo ở đúng điều kiện làm việc thật.
Khi cần lên tần số cao hơn hoặc cần xem trở kháng như một đường cong thay vì một điểm, máy phân tích trở kháng Keysight E4990A là bước tiếp theo hợp lý. Còn khi bài toán chuyển hẳn sang miền tần số vô tuyến và tham số S, máy phân tích mạng vector ENA Keysight E5061B phục vụ cả đo trở kháng lẫn đo mạng trên cùng một khung máy.
Về đồ gá — thành phần quyết định phần sai số còn lại như đã phân tích ở trên — đồ gá đo linh kiện SMD Keysight 16192A phủ từ DC tới 2 GHz và giữ được cấu hình đấu nối đúng chuẩn tới sát chân linh kiện.
Nếu bạn quan tâm tới phép đo điện dung ở phía vật liệu và cấu trúc bán dẫn thay vì linh kiện rời, bài Đo C-V MOS capacitor tần số cao: trích tox, Nsub và Dit đi sâu vào nhánh đó.
Kết luận
Một phiếu kết quả đo LCR đầy đủ phải ghi bốn thứ, không phải một: tần số đo, mức tín hiệu thử, mô hình tương đương đã chọn, và giá trị D hoặc Q kèm theo. Thiếu bất kỳ mục nào trong bốn mục đó, con số điện dung hay điện cảm không so sánh được với phép đo của người khác — và tệ hơn, không tái lập được bởi chính bạn sáu tháng sau.
Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025. Để được tư vấn chọn máy đo LCR và đồ gá phù hợp với dải linh kiện của bạn, hoặc để đặt lịch hiệu chuẩn định kỳ, liên hệ hotline 0908 173 345.
