Webinar Zusammenfassung – Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impendanzanalyse in der Elektrotechnik

Dieser Blog Post erscheint mit dem Webinar “Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik”. Im Anschluss möchte ich den Inhalt des Webinars kurz zusammenfassen und stelle auch die Folien zur Verfügung. Vor allem möchte ich mich bei allen Teilnehmern bedanken, auch für die, trotz der technischen Schwierigkeiten, gestellten Fragen. Die Fragen werden am Ende in einem kurzen Fragen und Antworten Bereich beantwortet. 

Die Aufnahme des Webinars ist auf unserem YouTube Kanal verfügbar: Zurich Instruments Webinar – Von Transportmessungen zur Impedanzanalyse

Am Beginn des Webinars steht die Feststellung, dass die Transportmessung und die Impedanzanalyse einen klaren gemeinsamen Nenner haben: die Notwendigkeit bei kleinen Spannungen und Strömen sowohl Amplitude und Phase präzise zu messen (Folien 1-7). Anschließend erkläre wir das Lock-in Verstärker Prinzip (Folien 8-10) und die Auswirkung der drei Parameter, Modulationsfrequenz (Folie 9), Filterbandbreite (Folie 11) und Filterordnung (Folie 12), auf die Messergebnisse. Abschließend gehen wir auf die genaue Messung der Phase (Folie 13) sowie die simultane Detektion mehrerer Signale (Folie 14). 

Im folgenden Abschnitt erklären wir zunächst die einfache Implementierung von Zweipol (Folie 17) und Vierpol (Folie 18) Messungen. Als weiteres Anwendungsbeispiel gehen wir im Detail auf die Ladungsträgerdichte- und Ladungsträgermobilitäts-Messung ein (Folien 19-20). 

Anschließend zeigen wir typische Anwendungen die entweder einer schnelle oder eine sehr präzise Messung der Impedanz erfordert (Folie 21) und demonstrieren exemplarisch für eine schnelle Messung die Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) live (Folien 22-23 und  Video). Als weiteres Beispiel betrachten wir die Charakterisierung eines DC-Link Kondensators (Folien 24-25) bei dem eine präzise Messung von geringem effektivem Serienwiderstand (ESR) und effektiver Serieninduktivität (ESL) gefragt ist. Wir enden mit einer kurzen Zusammenfassung (Folie 26). 

Präsentations  Folien

Hier finden Sie den vollständigen Foliensatz der Präsentation des Webinars.

Von Transpormessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Fragen und Antworten

Ist der Lock-in Verstärker das geeignete Mittel der Wahl um die Verlustleistung von Supraleitern zu messen (d.h. sehr hohe AC Ströme erzeugen einen sehr kleinen AC Spannungsfall, wenige µV bei einigen kA, über der supraleitenden Probe)? 

Im Webinar habe ich die Frage so verstanden als ob beides, der große Strom und die kleine Spannung gemessen werden sollen. In geschriebener Form verstehe ich allerdings, dass Sie nur die Spannung messen möchten. Dies ist gut möglich, da Lock-in Verstärker exakt für das sensitive messen von kleinen AC-Spannungen gebaut sind.

Gibt es eine Möglichkeit bei der Data Acquisition für die DLTS-Messung die Transientendaten mit einer höheren Zeitauflösung als die USB-Verbindung es in Echtzeit erlauben würde zu messen und dann nach einer längeren Aufnahmedauer digital auszulesen? So wie man es bei einem digitalen Speicherosilloskop machen würde? Falls ja, wie groß ist der Samplespeicher Ihrer Geräte? 

Für die schnellstmögliche Datenübertragung empfehlen wir eine Gigabit Netzwerkverbindung. Durch die gated Acquisition wird eine maximale Datenrate von ~850 kSa/s möglich wie in der live Messung demonstriert. Ein noch schnelleres auslesen ist nicht möglich. Dies wäre auch nicht sinnvoll, da die höchste Integrationsbandbreite 200kHz bei unserem MFIA Impedanz Analysator entspricht. Eine noch schnellere Messung ist mit der ebenfalls erhältlichen Digitalisierungsoption möglich 60MSa/s dabei fällt jedoch der Vorteil des Lock-in Verstärkers Technik weg. 

Was ist der Grund wieso Sie einen linearen Bereich (C vs V) fuer die DLTS Messung nehmen?

Wir möchten den Verlauf der Stufenfunktion charakterisieren. Ein linearer Bereich unseres Messwertes verhindert ein Verschmieren der Antwortfunktion. Ein nichtlinearer Signalverlauf könnte dadurch sowohl schnellere als auch langsamere Änderungen zeigen.

Was sollte man normalerweise als erstes erhöhen um Rauschen effizient zu verringern, Filter Order oder Bandbreite? Wie wirkt sich beides auf die Messgeschwindigkeit aus?

Diese Frage lässt sich nicht einfach pauschal beantworten da es von der Form des in der Messung präsenten Rauschen abhängt. Als Grundregel gilt: wenn Sie die Messbandbreite verringern, das Rauschen jedoch nicht wie erwartet kleiner wird, befindet sich innerhalb der Messbandbreite ein Rauschpeak. Diesen separieren Sie am effizientesten, wenn Sie eine höhere Filterordnung wählen. In beiden Fällen verlängert sich die Messdauer entsprechend. In der praktischen Anwendung wird die Filteroptimierung immer ein iterativer Prozess sein. Eine detailiertere Dikussion finden Sie im Webinar “Focus on signal processing in optical experiments” und dem YouTube Video “Low-pass filter settings done right“.

Was ist der Vorteil einer Lock-In Messung gegenüber einer Kapazitätsbrücke? 

Kapazitätsbrücken erlauben eine gute Messung moderater Impedanzen. Bei sehr kleinen oder sehr großen Impedanzen werden entweder der zu messende Strom oder die zu messende Spannung sehr klein. Der Lock-in Verstärker Ansatz bietet hier den Vorteil durch die Frequenzverschiebung und Filterung diese kleinsten Messgrößen immer noch mit hoher Präzision messen zu können. 

Wie sehen sie die Performance eines Lock-Ins: Kommt die Rauschunterdrückung durch die Schmalbandigkeit des Bandpass-Filters oder durch die Korrelationsmessung via dem Multiplizierer?

Das Rauschen in einer Lock-in Verstärker Messung ist immer der Überlapp der spektralen Rauschdichte und der Filterfunktion. Je schmalbandiger letztere ist, desto kleiner das Rauschen. Die Multiplikation mit der Referenzfrequenz verschiebt das spektrale Fenster in der Frequenzdomäne.