インピーダンス整合ができない

質問

PCB基板上に作成したデバイスを実装しインピーダンスをインピーダンスアナライザで測ったら、20+j30Ω程度でしたので、並列に10-120pFのトリマコンデンサを挿入しました。

計算上はトリマコンデンサを回せば、レジスタンス成分が20-70Ωの範囲で変化し、約60Ωのときリアクタンス成分がゼロになると思います。

しかし、実際はレジスタンス成分が5-20Ωの範囲でしか変動せず、リアクタンス成分もj20Ω程度を示し変動しません。

何が起こっているのでしょうか。

周波数は50MHz程度です。
PCB基板上の信号が通る線幅は5mm程度です。
トリマコンデンサ単体をインピーダンスアナライザで測ると正しく動作しているようです。
トリマコンデンサを回すと値が変動しますし、テスターでトリマコンデンサの端子と基板の導通を確認していますので、トリマコンデンサが正しくはんだ付けされていないということはないと思います。

よろしくお願いします。

回答No.4

tadys

＞マイクロストリップラインを使うにはちょっと周波数が低いかなと考えていたのですが、見当違いでしょうか。
扱う信号の波長に対して線路の長さが１／２０～１／１０程度になると無視できない影響が出る事が有ります。
場合によりますが、５０ＭＨｚでは３０センチぐらいからは注意した方が良いかもしれません。
同軸ケーブルでは短縮率６７％（ケーブルの種類による）を掛けるので２０センチです。

同軸ケーブルなどの伝送線路で線路の特性インピーダンスと終端の負荷インピーダンスが一致していない場合には線路がキャパシタンスやインダクタンス、トランスの様に見えます。
例えば、終端をショートした同軸ケーブルは直流ではインピーダンスゼロですが信号の周波数が上がるとインダクタンスの様に見えてきて、信号の波長が線路の４倍になるとインピーダンスが無限大となります。
これよりも周波数が高くなると線路はキャパシタンスの様に見え始め、信号の波長が線路の２倍になるとインピーダンスがゼロとなります。

線路の特性インピーダンスと異なる抵抗値で終端した場合はスミスチャートで表すと簡単になります。
この場合、周波数を変えた時のインピーダンスの変化は、特性インピーダンスを示す点を中心とし終端抵抗値を通る円周上を移動するようになります。
これを利用して伝送線路をインピーダンスの変換器として利用できます。
ネットワークアナライザを使用した測定では表示がスミスチャートになるので、高周波技術者でしたらスミスチャートは必須の知識と言えます。

トリマコンデンサを並列にと言う事なので、20+j30 をアドミッタンスに変換してサセプタンスを変化させた時のインピーダンス軌跡をスミスチャート上にプロットしたものを添付します。
（左はスミスチャート、右は目盛りをアドミッタンスにしたもの）
円で示すのはレジスタンス／コンダクタンス一定の線、円弧で示すのはリアクタンス／サセプタンス一定の線です。

＞レジスタンス成分が5-20Ωの範囲でしか変動せず、リアクタンス成分もj20Ω程度を示し変動しません。
トリマをいじって値が変化している事からトリマが働いていることは確かでしょう。
トリマ最小の時のレジスタンスは何Ωで、最大の時は何Ω何でしょうか？

何が起きているかはこれまでの情報からはハッキリしません。
測定系を再現できるぐらいの情報が開示されないと答えは難しいかもしれません。

ネットワークアナライザを使った方が見通しが良くなると思うんだけどな。

回答No.3

tadys

５０ＭＨｚとなると、そろそろ分布定数回路を考慮する必要が有ります。
普通の回路のつもりでいると上手くいかない事が有ります。

取りあえず、Ｉ－Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ の回路教室でも覗いてください。
http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/

お礼

ありがとうございます。

教えていただいたサイトは一応すでに読んだことがあるのですが、分布定数回路を考慮するとは具体的にどうすればいいのか理解しきれていない部分もあります。

周波数は約50MHzですので、波長は6m程度あり、それに比べると装置の配線長は十分短いつもりでして、マイクロストリップラインを使うにはちょっと周波数が低いかなと考えていたのですが、見当違いでしょうか。

回答No.2

veryyoung

ひょっとして補正対象のデバイスは、20+j30Ω でなく、20-j30Ω という可能性はありませんか。前者とすれば、確かに仰る目標の挙動を示す筈です。一方で、後者を仮定すると実際に得られた挙動と計算上合致します。

お礼

ありがとうございます。

いえ、確かにリアクタンス成分は正です。

キャパシタンス単体を測定すると値は負になりますので、アナライザの表示設定が絶対値になっているということもないと思います。

回答No.1

178-tall

ご質問を眺めるかぎり、怪しいのは「トリマコンデンサ」。

それがほんとに C 性なのか、インピーダンスアナライザで測ってみるとか、
70 pF くらいの小型コンデンサを接続してみるとか、試されたらいかが？

お礼

ありがとうございます。

C性と言うのはキャパシタとして働いているかということですか？

インピーダンスアナライザで測定するとちゃんと50MHz付近で、規格通りの値を示しています。

表面実装のチップコンデンサは試してみたいと思います。