C-V测量技术、技巧与陷阱——常见C-V测量误差 I

偏移[1]和增益误差[2]（如图7所示）是C-V测量中最常见的误差。X轴以对数标度的方式给出了电容的真实值，大小范围从皮法到纳法。Y轴表示系统实际测量的值，包含测量误差。如果测量系统是理想的，那么所测出的值将与真实值完全匹配，可以画成一条具有45度角的直线，如图7中黑色的线所示。实际上，增益和偏移误差（蓝线和红线）总是会出现，必须进行校正。


增益、额定值、偏移量
图7.电容测量中的增益和偏移误差[3]
由于坐标轴是对数形式的，因此蓝线所示的偏移误差就表示小电容上的小误差以及大电容上的大误差。由于偏移误差变化这么大，校正这种误差必须注意两个方面。当测量很小的电容（<10pF），即大阻抗时，最好的校正方法是“开路校正”。当测量较大的电容（高达10nF），即小阻抗时，最好采用“短路校正”。
图7中还给出了增益误差，以红线所示。增益误差的变化取决于所测电容的大小，它们相比偏移误差更难以校正。“负载校正”是校正增益误差的一种方法。进行负载校正时需要连接一个已知的标准负载，测量它，然后计算比值使得测量的值与已知的负载相匹配。负载校正的局限性在于，当负载大小接近于待测器件时，它的效果最好。例如，如果我们想要测量10MHz下的一个5pF电容，这表示负载约为3千欧姆，那么，校正这一测量就需要找到3千欧姆的标准负载。如果待测器件的尺寸变化很大（通常就是如此），这样做就不切实际了，因此负载校正方法实际上不适用于一般的实验室应用。


CVU仪器[4]、Z短路、Z开路、Z负载、探针
图8.
开路、短路和负载校正实际上是在干什么？图8给出了一个交流阻抗测试[5]系统的简化模型，其中添加了集总元件表示开路、短路和负载误差项。测量系统的所有组成部分——所有线缆、所有探针和所有卡盘——已集总在一起，表示为Z开路（开路阻抗误差）、Z短路（短路电路阻抗误差）和Z负载（负载校正组件）。在这个测试系统上进行校正的第一步是在探针之间形成短路，通常做法是将两个探针头放在同一个接触pad上。然后用电容计测量电容值，并将其保存为剩余短路阻抗。第二步是抬起探针，使其保持在接近测量实际器件时应有的方向。然后电容计测量电容值，将其保存为剩余开路阻抗。如果需要，可以在探针之间加一个已知的阻抗负载，用电容计测量其值，将其保存为负载校正。下面的公式用于在测量中应用这些校正。



其中：
Zfinal=最终经过校正的测量阻抗
Zm=测得的阻抗
Load ratio=测得的负载校正
Zs=测得的短路校正
Zo=测得的开路校正

Zfinal是根据这一公式应用这些校正所得到的最终结果。如果校正值关闭，它就会进入缺省状态，使其对这一公式不可见。值得注意的是一个重要问题，如果这些校正实现的不正确，它们实际上将使得最终的测量值还不如完全不进行校正的正确！幸运的是，为了提高易用性，当前大多数交流阻抗表都已内置了开路、短路和负载校正以及相应的计算公式。