通過擴展矢量網路分析儀範圍精確地測量陶瓷電容

由於陶瓷電容是影響穩壓器控制環路穩定性和供電網路(PDN)阻抗的主要因素，因此，它在電路性能中發揮著重要的作用。在使用這類電路進行設計時，需要在寬的頻率範圍內有良好的阻抗數據。正確的測量技術是實現精確測量的關鍵。本文討論了如何使用兩種簡單的技術來實現精確、寬頻的頻率測量，方法是擴展矢量網路分析儀(VNA)的範圍。

較大的鉭電容和鋁電解電容的阻抗動態範圍比較小，其電容值比較容易測量，而由於陶瓷電容的阻抗動態範圍很大，因此陶瓷電容值很難測量。

就拿100nF陶瓷電容的測量來說。在1Hz時，容性電抗約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要求動態範圍(最低頻率時的容性阻抗與低阻抗時的ESR之比)至少達到164dB。

Dynamic range: 動態範圍

一些工程師可能會認為，測量低至1Hz時的電容值太小了，因為即使Keysight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開始掃描可以將動態範圍降低到144dB。但在每個阻抗極限處增加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，很少有儀器能夠支持如此大的動態範圍。如果測量這些元件是你的主要工作，而且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。否則這個方案可能就不是現實的選擇。矢量網路分析儀是下一個最好的選擇。矢量網路分析儀可以測量阻抗，並顯示電容、電感、實數、虛數、量級等。

矢量網路分析儀天生就可以使用三種不同的技術測量阻抗。所有這三種技術基於的都是散射參數(S參數)。表1列出了這三種方法以及從S參數到阻抗的變換。幸運的是，這些阻抗變換一般內置在矢量網路分析儀中，因此你不需要做任何計算。

表1：基於矢量網路分析儀的阻抗測量中使用的阻抗和S參數變換。

1-port reflection: 單埠反射法

2-port series thru: 雙埠串聯直通法

2-port shunt thru: 雙埠並聯直通法

這三種測量技術在特定阻抗範圍內都很精確。每種測量技術的推薦範圍如表2所示。

表2：基於矢量網路分析儀的阻抗測量的高保真度測量範圍。

Measurement: 測量； dynamic range: 動態範圍

單埠反射法

雙埠串聯直通法

雙埠並聯直通法

這些是推薦的範圍。只要在測量之前進行仔細的儀器校準，大多數矢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，這是我為什麼選擇0.1μF低等效串聯電阻的陶瓷電容進行測量的原因。我使用OMICRON Lab Bode 100對電容樣品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矢量網路分析儀導出到Touchstone格式，然後在Keysigt ADS數據顯示器上同時顯示出來。正如你看到的那樣，這裡顯示的測量技術可以擴展Bode 100的動態範圍。

圖1：比較三種用矢量網路分析儀測量100nF陶瓷電容阻抗的技術。

Ref: 反射法；shunt: 並聯直通法；series: 串聯直通法；freq: 頻率

在從大約100Hz到300kHz的頻率範圍內，所有三種方法的表現都一致的好，它們的測量性能都遠好於推薦範圍。在小於100Hz和大於1MHz時它們也都發生了偏離。雙埠並聯直通法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。雙埠串聯直通法在測量阻抗值時非常精確，因此在1Hz時可以提供正確的阻抗值，本例中是1.6MΩ。單埠反射測量方法在低阻抗和高阻抗範圍內都不太精確。

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矢量網路分析儀配件的阻抗適配器。阻抗適配器使用電阻橋來擴展動態範圍。圖2中連接矢量網路分析儀的阻抗適配器具有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。

圖2：將阻抗適配器連接到Bode 100進行電容的測量。

第二種方法是在矢量網路分析儀的每個埠之間插入一個電阻。圖3顯示了採用「TEE」型結構測量的器件。通過選擇串聯電阻可以修改這種方法的阻抗範圍。

圖3：這種雙埠阻抗測量裝置採用了由串聯電阻Reseries1和Rseries2組成的「TEE」型結構。

串聯電阻和並聯電容的連接如圖4所示。

圖4：在圖3所示原理圖基礎上使用串聯電阻的雙埠阻抗測量。

電容的測量是同時使用阻抗適配器和雙埠並聯串聯電容的方法進行的。測量結果直接從Bode 100矢量網路分析儀導出到Touchstone格式，然後在Keysight ADS數據顯示器上同時顯示，如圖5所示。

圖5：用阻抗適配器和帶串聯電阻的雙埠一起精確地測量從1Hz到50MHz範圍內的100nF電容，包括諧振點的10mΩ阻抗。

Extended: 擴展埠；adapter: 阻抗適配器

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。部分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適配器接觸電阻變化的影響。不管怎樣，阻抗適配器的性能都遠遠超出規定的20MHz點6Ω性能，而且兩種方法都能提供很高的動態範圍。

這兩種方法各有優缺點。阻抗適配器很容易使用，不要求將元件焊接到印刷電路板上。另外，它具有較高的最小阻抗，要求短暫開路和負載校準，而且測量範圍不能調節。通過選擇串聯電阻，可以針對特定範圍對帶串聯電阻的雙埠並聯方法進行優化。這種方法通常要求將元件安裝到電路板上進行測量。

本文介紹了三種矢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，以及它們各自支持的動態範圍和阻抗範圍。其中有兩種簡單的矢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。

本文來自《電子工程專輯》2017年10月刊，版權所有，謝絕轉載

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！