陶瓷电容是影响电压稳压器控制回路稳定性与供电网路(PDN)阻抗的主要因素, 因而对于电路性能发挥重要作用. 在使用这类电路进行设计时, 你必须在较宽的频率范围内提供良好的阻抗资料. 正确的测量技术是实现精确测量的关键. 本文讨论借由扩展向量网路分析仪(VNA)的范围, 如何有效利用两种简单的技术实现精确, 宽频的频率测量.
陶瓷电容由于具有高阻抗动态范围, 因而难以测量其电容值. 较大的钽电容和铝电解电容的动态范围较小, 其电容值较容易测量.
就拿100nF陶瓷电容的测量来说. 在1Hz时, 电容电抗(容抗)约1.6MΩ. 在串联谐振时, 等效串联电阻(ESR)的典型值约为10mΩ. 在宽频率范围内精确地测量这种电容时, 动态范围(最低频率时的容性阻抗与低阻抗时的ESR之比)至少必须达到164dB.
有些工程师可能会认为, 测量低至1Hz的电容值太小了, 因为即使是德科技(Keysight Technologies)的E5061B网路分析仪也仅能测量低至5Hz的电容阻抗. 本文讨论的技术可以将测量扩展到1Hz, 动态范围可达164dB. 从10Hz开始扫描能将动态范围降低到144dB; 但在每个阻抗极限增加10dB的杂讯余量, 可以让你马上回到所要求的164dB范围.
选择正确的仪器
除了专门的阻抗分析仪外, 很少有仪器能够支援如此大的动态范围. 如果测量这些元件是你的主要工作, 而你又没有任何预算限制, 那么使用专门的高性能阻抗分析仪可能是个很好的选择; 否则这个方案可能并不实际. 那么, 向量网路分析仪则是下一个最佳选择. 向量网路分析仪可以测量阻抗, 并显示电容, 电感, 实数, 虚数与量级等.
向量网路分析仪天生就可以使用三种不同的技术测量阻抗. 这三种技术都是以散射参数(S参数)为基础. 表1列出了这三种方法以及从S参数到阻抗的变换. 值得庆幸的是, 这些阻抗变换一般内建于向量网路分析仪中, 因而无需进行任何计算.
这三种测量技术在特定阻抗范围内都很精确. 每一种测量技术的推荐范围如表2所示.
这些是推荐的范围. 只要在测量之前进行仔细的仪器校准, 大多数向量网路分析仪都能做的更好.
最常见的去耦电容值之一是0.1μF, 这就是我为什么选择0.1μF低ESR陶瓷电容进行测量的原因. 本文在此使用OMICRON Lab Bode 100为例, 针对电容样本进行了上述三种技术的测量. 图2显示的就是测量结果. 测量结果直接从Bode 100向量网路分析仪汇出到Touchstone格式, 然后同步显示于Keysigt ADS资料显示器. 正如你所看到的, 这里显示的测量技术可以扩展Bode 100的动态范围.
在从大约100Hz到300kHz的频率范围内, 三种方法的表现都一样好, 它们的测量性能都比推荐范围更好得多. 在小于100Hz和大于1MHz时也都出现了偏离. 双埠并联直通法(Shunt Thru)在低阻抗量级时非常精确, 因此这种技术在谐振时可以测量出10mΩ的阻抗. 双埠串联直通法(Series Thru)在测量阻抗值时非常精确, 因此可在1Hz时提供正确的阻抗值, 在本例中是1.6MΩ. 单埠反射(reflection)测量方法在低阻抗和高阻抗范围内都不太精确.
两种可用的测量技术
你可以使用两种扩展动态范围的技术, 在1Hz到50MHz范围内精确地测量电容值. 一种方法是使用通常作为向量网路分析仪配件的阻抗配接器. 阻抗配接器使用电阻桥来扩展动态范围. 图2中连接至向量网路分析仪的阻抗配接器支援1Hz时20mΩ的推荐范围. 在20MHz谐振频率点, 推荐的最小阻抗测量值约为6Ω. 在低频率时, 最大推荐阻抗是600kΩ.
第二种方法是在向量网路分析仪的每个埠之间插入一个电阻. 图3显示采用 'TEE' 型配置测量的元件. 选择串联电阻可修改这种方法的阻抗范围.
串联电阻和并联电容的连接如图4所示.
电容的测量同时使用阻抗配接器和双埠并联与串联电容的方法进行. 测量结果直接从Bode 100向量网路分析仪汇出到Touchstone格式, 然后同时显示在Keysight ADS资料显示器, 如图5所示.
这两种方法都能适应从1Hz时的1.6MΩ到谐振点10mΩ的整个164dB动态范围. 带串联电阻的双埠可以在10mΩ谐振时作出更加精确的评估. 部份原因是将电容直接焊接在印刷电路板上, 消除了校准与测量之间阻抗配接器接触电阻变化的影响. 无论何, 阻抗配接器的性能都远远超出指定的20MHz时6Ω性能, 而且这两种方法都能提供很高的动态范围.
两种方法的比较
这两种方法各有优缺点. 阻抗配接器很容易使用, 而且不必将元件焊接到印刷电路板上. 另外, 它具有较高的最小阻抗, 需要短暂开路和负载校准, 而且无法调整测量范围. 借由选择串联电阻, 可以针对特定范围为具有串联电阻的双埠并联方法进行最佳化. 这种方法通常要求将元件安装到电路板上进行测量.
总结
本文介绍了三种原生的向量网路分析仪阻抗测量方法: 单埠发射法, 双埠串联直通法和双埠并联直通法, 以及三种方法分别支援的动态范围和阻抗范围. 其中有两种简单的向量网路分析仪方法可以用来精确地测量100nF陶瓷电容的164dB动态范围.