陶瓷電容是影響電壓穩壓器控制迴路穩定性與供電網路(PDN)阻抗的主要因素, 因而對於電路性能發揮重要作用. 在使用這類電路進行設計時, 你必須在較寬的頻率範圍內提供良好的阻抗資料. 正確的測量技術是實現精確測量的關鍵. 本文討論藉由擴展向量網路分析儀(VNA)的範圍, 如何有效利用兩種簡單的技術實現精確, 寬頻的頻率測量.
陶瓷電容由於具有高阻抗動態範圍, 因而難以測量其電容值. 較大的鉭電容和鋁電解電容的動態範圍較小, 其電容值較容易測量.
就拿100nF陶瓷電容的測量來說. 在1Hz時, 電容電抗(容抗)約1.6MΩ. 在串聯諧振時, 等效串聯電阻(ESR)的典型值約為10mΩ. 在寬頻率範圍內精確地測量這種電容時, 動態範圍(最低頻率時的容性阻抗與低阻抗時的ESR之比)至少必須達到164dB.
有些工程師可能會認為, 測量低至1Hz的電容值太小了, 因為即使是德科技(Keysight Technologies)的E5061B網路分析儀也僅能測量低至5Hz的電容阻抗. 本文討論的技術可以將測量擴展到1Hz, 動態範圍可達164dB. 從10Hz開始掃描能將動態範圍降低到144dB; 但在每個阻抗極限增加10dB的雜訊餘量, 可以讓你馬上回到所要求的164dB範圍.
選擇正確的儀器
除了專門的阻抗分析儀外, 很少有儀器能夠支援如此大的動態範圍. 如果測量這些元件是你的主要工作, 而你又沒有任何預算限制, 那麼使用專門的高性能阻抗分析儀可能是個很好的選擇; 否則這個方案可能並不實際. 那麼, 向量網路分析儀則是下一個最佳選擇. 向量網路分析儀可以測量阻抗, 並顯示電容, 電感, 實數, 虛數與量級等.
向量網路分析儀天生就可以使用三種不同的技術測量阻抗. 這三種技術都是以散射參數(S參數)為基礎. 表1列出了這三種方法以及從S參數到阻抗的變換. 值得慶幸的是, 這些阻抗變換一般內建於向量網路分析儀中, 因而無需進行任何計算.
這三種測量技術在特定阻抗範圍內都很精確. 每一種測量技術的推薦範圍如表2所示.
這些是推薦的範圍. 只要在測量之前進行仔細的儀器校準, 大多數向量網路分析儀都能做的更好.
最常見的去耦電容值之一是0.1μF, 這就是我為什麼選擇0.1μF低ESR陶瓷電容進行測量的原因. 本文在此使用OMICRON Lab Bode 100為例, 針對電容樣本進行了上述三種技術的測量. 圖2顯示的就是測量結果. 測量結果直接從Bode 100向量網路分析儀匯出到Touchstone格式, 然後同步顯示於Keysigt ADS資料顯示器. 正如你所看到的, 這裡顯示的測量技術可以擴展Bode 100的動態範圍.
在從大約100Hz到300kHz的頻率範圍內, 三種方法的表現都一樣好, 它們的測量性能都比推薦範圍更好得多. 在小於100Hz和大於1MHz時也都出現了偏離. 雙埠並聯直通法(Shunt Thru)在低阻抗量級時非常精確, 因此這種技術在諧振時可以測量出10mΩ的阻抗. 雙埠串聯直通法(Series Thru)在測量阻抗值時非常精確, 因此可在1Hz時提供正確的阻抗值, 在本例中是1.6MΩ. 單埠反射(reflection)測量方法在低阻抗和高阻抗範圍內都不太精確.
兩種可用的測量技術
你可以使用兩種擴展動態範圍的技術, 在1Hz到50MHz範圍內精確地測量電容值. 一種方法是使用通常作為向量網路分析儀配件的阻抗配接器. 阻抗配接器使用電阻橋來擴展動態範圍. 圖2中連接至向量網路分析儀的阻抗配接器支援1Hz時20mΩ的推薦範圍. 在20MHz諧振頻率點, 推薦的最小阻抗測量值約為6Ω. 在低頻率時, 最大推薦阻抗是600kΩ.
第二種方法是在向量網路分析儀的每個埠之間插入一個電阻. 圖3顯示採用 'TEE' 型配置測量的元件. 選擇串聯電阻可修改這種方法的阻抗範圍.
串聯電阻和並聯電容的連接如圖4所示.
電容的測量同時使用阻抗配接器和雙埠並聯與串聯電容的方法進行. 測量結果直接從Bode 100向量網路分析儀匯出到Touchstone格式, 然後同時顯示在Keysight ADS資料顯示器, 如圖5所示.
這兩種方法都能適應從1Hz時的1.6MΩ到諧振點10mΩ的整個164dB動態範圍. 帶串聯電阻的雙埠可以在10mΩ諧振時作出更加精確的評估. 部份原因是將電容直接焊接在印刷電路板上, 消除了校準與測量之間阻抗配接器接觸電阻變化的影響. 無論何, 阻抗配接器的性能都遠遠超出指定的20MHz時6Ω性能, 而且這兩種方法都能提供很高的動態範圍.
兩種方法的比較
這兩種方法各有優缺點. 阻抗配接器很容易使用, 而且不必將元件焊接到印刷電路板上. 另外, 它具有較高的最小阻抗, 需要短暫開路和負載校準, 而且無法調整測量範圍. 藉由選擇串聯電阻, 可以針對特定範圍為具有串聯電阻的雙埠並聯方法進行最佳化. 這種方法通常要求將元件安裝到電路板上進行測量.
總結
本文介紹了三種原生的向量網路分析儀阻抗測量方法: 單埠發射法, 雙埠串聯直通法和雙埠並聯直通法, 以及三種方法分別支援的動態範圍和阻抗範圍. 其中有兩種簡單的向量網路分析儀方法可以用來精確地測量100nF陶瓷電容的164dB動態範圍.