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。

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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。

20171123_Picotest_TA31P1 表1:向量網路分析儀的阻抗測量中使用的阻抗和S參數變換

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。

20171123_Picotest_TA31P2 表2:VNA阻抗測量的高真實度測量範圍

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。

20171123_Picotest_TA31P3 圖1:比較三種用向量網路分析儀測量100nF陶瓷電容阻抗的技術

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。

20171123_Picotest_TA31P4 圖2:將阻抗配接器連接到Bode 100進行電容的測量

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。

20171123_Picotest_TA31P5 圖3:這種雙埠阻抗測量設置採用了由串聯電阻Reseries1和Rseries2組成的‘TEE’型配置

串聯電阻和並聯電容的連接如圖4所示。

20171123_Picotest_TA31P6 圖4:根據圖3原理圖所示串聯電阻的雙埠阻抗測量

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。

20171123_Picotest_TA31P7 圖5:用阻抗配接器和帶串聯電阻的雙埠一併精確地測量從1Hz到50MHz範圍的100nF電容,包括諧振點的10mΩ阻抗

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。