システムオンモジュールアプローチによる高精度インピーダンスアナライザ設計の簡素化

タッチパネルの較正、半導体の特性評価、ウェハアクセプタンステスト、バッテリ検査など、多くの用途で正確なインピーダンス測定が必要とされます。このようなアプリケーション用の自動テスト装置（ATE）は、通常、広い周波数範囲にわたってインピーダンスを高精度と高感度で測定する必要があります。

このような用途のためにカスタムのインピーダンス測定装置を開発するには、ハードウェアの設計、ソフトウェアの開発、テストなど、多くの課題があります。これらのパラメータは、アナログおよびデジタル信号処理の専門知識を必要とし、プロジェクトのスケジュールと予算を危険にさらす可能性のある遅延を引き起こす可能性があります。

こうした課題を回避するために、設計者は、高精度インピーダンス測定に必要で重要なハードウェアとソフトウェアをあらかじめ統合したシステムオンモジュール（SOM）を選択することができます。このようなモジュールにより、設計者はインピーダンス測定技術の複雑さから解放され、コアコンピタンスやアプリケーションの開発に集中することができます。

この記事では、ATEにおけるインピーダンス測定の主な要件について簡単に説明します。次に、Analog Devices Inc.（ADI）のインピーダンスアナライザ用に最適なSOMを紹介し、関連する評価ボードとモジュールの使用方法を説明します。

ATEにおける高精度インピーダンス測定の要件

タッチパネルのキャリブレーション、半導体の特性評価、ウェハアクセプタンステスト、バッテリ試験などの用途のATEには、以下のような特定の要件があります。

• 1ヘルツ（Hz）以下からメガヘルツ（MHz）までの広い周波数範囲に対応
• 高い精度と安定性、通常0.1%以上
• 微小なインピーダンス変化を測定する高感度
• 高速測定によるハイスループット試験
• マイクロオーム（μΩ）からメガオーム（MΩ）まで、幅広いインピーダンス値を扱う能力
• 自動スイープおよび複雑な測定シーケンス機能

アプリケーションによって要件がかなり異なる可能性があることに注意しなければなりません。たとえば、タッチパネルの較正では、フェムトファラッド（fF）範囲のキャパシタンス変化に対する感度が必要になる場合がありますが、ウェハアクセプタンスにおける感度はアトファラッド（aF）範囲に達することがあります。

ATE用高精度インピーダンス測定設計の課題

このようなアプリケーションのためのATE開発には、かなりの専門知識とリソースが必要であり、開発サイクルが長くなり、初期開発費が高くなる可能性があります。カスタムのインピーダンス測定設計に関する課題には、以下のようなものがあります。

• 複雑なハードウェア設計：広い周波数範囲とインピーダンス範囲にわたって正確な測定ができる高精度のアナログフロントエンドを作るには、アナログとデジタルの信号処理に関する専門知識と、プリント回路基板（プリント基板）のレイアウトやシールドの細部に細心の注意を払う必要があります。
• 洗練されたソフトウェア開発：インピーダンス計算、較正、補償アルゴリズムの実装は複雑です。複数の測定フォーマットと自動スイープをサポートすることで、さらに複雑さが増します。
• 較正と精度：さまざまな測定条件にわたって高い精度を達成し、維持するには、高度な較正手順と補償技術が必要です。

ADIのADMX2001Bのような設計済み評価モジュールは、これらの課題を大幅に簡素化することができます。このSOMは、精密インピーダンスアナライザの主要コンポーネントを1.5 x 2.5インチのコンパクトなサイズに統合しています。図1に示すように、このモジュールはEVAL-ADMX2001EBZ評価ボードに差し込みます。この評価ボードには、設計探索およびラピッドプロトタイピングソフトウェアが付属しています。

図 1: ADMX2001Bインピーダンス測定モジュールは、EVAL-ADMX2001EBZ評価ボードに差し込みます。（画像提供：Analog Devices）

このモジュールは量産設計用ではありませんが、回路図、部品表（BOM）、ガーバーファイル、ファームウェアが利用できます。これにより、企業は独自仕様のモジュールを構築することも、より大規模な設計に組み込むこともできます。いずれにせよ、プレエンジニアリング設計によって多くの困難な作業が軽減されるため、企業は専門分野に集中することができます。

モジュールの製作は特に興味深い選択肢であり、開発者にデザインを拡張するための簡単で費用対効果の高い方向性を提供します。機能を追加したり、異なるユースケースに設計を適応させたりする場合、開発者はゼロから始めるのではなく、モジュールを設計のコアとして持ち続けることができます。

ADMX2001Bの機能および性能の概要

ADMX2001Bは、高性能な混合信号回路と高度な処理アルゴリズムを組み合わせ、正確なインピーダンス測定を実現します。このモジュールは、DCから10MHzまでの広範な周波数範囲と、0.05%という高い測定精度を提供します。抵抗は100μΩから20MΩまで、キャパシタンスは100aFから160Fまで、インダクタンスは1ナノヘンリー（nH）から1600ヘンリー（H）までの広い範囲をカバーします。1回の測定につき2.7ミリ秒（ms）の速度で測定が可能で、さまざまなアプリケーションや部品の種類に対応する18種類のインピーダンス測定フォーマットを備えています。

マルチポイント、パラメトリック掃引、DC抵抗測定を含む自動化機能により、ADMX2001Bは複雑なシーケンスと徹底的な部品特性評価を手動操作なしで実行できます。自動較正ルーチン、不揮発性メモリ、補償機能により、測定のトレーサビリティ、信頼性、フィクスチャの寄生除去が保証されます。このモジュールは、UART、SPI、GPIOインターフェースを備えたコンパクトサイズで、高密度テストシステムやポータブル機器に簡単に組み込むことができます。さらに、Windows、macOS、Linux、Raspberry Pi、Arduinoプラットフォームでの開発をサポートしているため、大規模なシステムやカスタムアプリケーションにも対応できます。

これらの機能により、このモジュールは要求の厳しいさまざまなアプリケーションに適しています。

EVAL-ADMX2001EBZ評価ボードの概要

開発者は、EVAL-ADMX2001EBZ評価・開発ブレイクアウトボードを使用して、ADMX2001Bを使用した設計アイデアを検討することができます。このボードは、モジュールの機能と特徴に対し以下のような便利なアクセスを提供します。

• 一般的なインダクタンス、キャパシタンス、抵抗（LCR）メータのテストプローブや治具に接続できるBNCコネクタ
• USB-UARTケーブルを使ってホストPCと接続できるUARTインターフェース
• 標準的な試験装置への接続を簡素化するSMAコネクタを通してトリガ信号とクロック同期信号が利用可能
• SDP-K1などのボードで組み込みコードを開発できるArduinoスタイルのヘッダ
• 5ボルトから+12ボルトを供給できるAC/DC電源アダプタからのさまざまな入力電圧を受け入れる電源ジャック

評価ボードの主な目的は、LCRメータのデモを提供することです。このデモンストレーションを行うには、以下のような追加のハードウェアが必要です。

• テストフィクスチャなどのLCRメータ用アクセサリ
• 標準抵抗器セットなどの較正用アクセサリ
• デモ結果を検証するための卓上LCRメータ

デモには以下のような追加のソフトウェアも必要です。

• USBデバイスをPCで使用可能な追加COMポートとして表示するバーチャルCOMポート（VCP）ドライバ。
• Arm® Mbedプラットフォームを使用したキャリブレーションなどの基本操作を可能にするADI Mbedコード
• カーソルの位置やテキストの色に使用するANSIエスケープコードをサポートするTeraTermまたは同様のターミナルエミュレータ

EVAL-ADMX2001EBZを使ったLCRメータのデモ

デモのセットアップは簡単です。基本的な手順は以下の通りです。

1.ハードウェアのセットアップ（図2）：

• ADMX2001Bモジュールを EVAL-ADMX2001EBZ評価ボードに接続します。
• USB-UARTケーブル（付属）をボードとホストコンピュータに接続します。
• 付属の電源アダプタで電源を供給します。

図2：EVAL-ADMX2001EBZ評価ボードのセットアップのブロック図を示します。（画像提供：Analog Devices）

2.ソフトウェアのセットアップ

• VCPドライバをインストールします。
• TeraTerm（または同様のターミナルエミュレータ）をインストールします。

3．基本設定（図3）：

• ターミナルエミュレータを開き、シリアル接続を設定します。
• コマンドを使用して、周波数、振幅、バイアスなどの測定パラメータを設定します。

図3：ADMX2001Bターミナルインターフェースのスクリーンショットを示します。（画像提供：Analog Devices）

4．較正手順：

• ADMX2001Bは、3段階の較正プロセスを必要とします。
• 「calibrate open」、「calibrate short」、または 「calibrate rt」コマンドを使用した後、設計者はプロンプトに従ってそれぞれオープン、ショート、負荷の測定を実行する必要があります。
• 最良の結果を得るためには、高品質の較正標準器を使用する必要があります。
• 処理後、較正係数をオンボードの不揮発性メモリに保存する必要があります。

5．フィクスチャの補償：

• 設計者は、テストフィクスチャを使用する際、寄生効果を取り除くためにフィクスチャの補償を行う必要があります。
• ファームウェアに用意されているフィクスチャ補償機能を使うことができます。

6.検証：

• 較正後、既知の標準器を用いて測定を行い、精度を確認します。

7.測定：

• インピーダンス測定を行うには、「z」コマンドを使用しなければなりません。
• 測定フォーマットを変更するには、「display」を使用します（たとえば、直交座標でのインピーダンスは 「display 6」です）。
• その後、設計者はアプリケーションの必要に応じて測定モード、レンジ、その他のパラメータを設定します。
• 「average」や 「count」などのコマンドは、複数の測定値を設定することができます。

まとめ

インピーダンス測定器の設計には、巧妙な基板レイアウトから複雑な信号処理ソフトウェアに至るまで、エンジニアリング上の大きな課題が伴います。ADIのADMX2001Bのような設計済みSOMを使用することで、設計者はこれらの複雑な問題の多くを取り除くことができます。これにより、時間とコストを節約しながら、独自の価値に集中することができ、将来の派生設計を生み出すためのわかりやすい道筋を提供することができます。