通过扩展矢量网络分析仪范围精确地测量陶瓷电容
时间：2017-10-16 14:09:21
作者：Steve Sandler
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由于陶瓷电容是影响稳压器控制环路稳定性和供电网络(PDN)阻抗的主要因素，因此，它在电路性能中发挥着重要的作用。在使用这类电路进行设计时，需要在宽的频率范围内有良好的阻抗数据。正确的测量技术是实现精确测量的关键。本文讨论了如何使用两种简单的技术来实现精确、宽带的频率测量，方法是扩展矢量网络分析仪(VNA)的范围。
较大的钽电容和铝电解电容的阻抗动态范围比较小，其电容值比较容易测量，而由于陶瓷电容的阻抗动态范围很大，因此陶瓷电容值很难测量。
就拿100nF陶瓷电容的测量来说。在1Hz时，容性电抗约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要求动态范围(最低频率时的容性阻抗与低阻抗时的ESR之比)至少达到164dB。
Dynamic range: 动态范围
一些工程师可能会认为，测量低至1Hz时的电容值太小了，因为即使Keysight的E5061B网络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开始扫描可以将动态范围降低到144dB。但在每个阻抗极限处增加10dB的噪声余量可以让你马上回到所要求的164dB范围。
除了专门的阻抗分析仪外，很少有仪器能够支持如此大的动态范围。如果测量这些元件是你的主要工作，而且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。否则这个方案可能就不是现实的选择。矢量网络分析仪是下一个最好的选择。矢量网络分析仪可以测量阻抗，并显示电容、电感、实数、虚数、量级等。
矢量网络分析仪天生就可以使用三种不同的技术测量阻抗。所有这三种技术基于的都是散射参数(S参数)。表1列出了这三种方法以及从S参数到阻抗的变换。幸运的是，这些阻抗变换一般内置在矢量网络分析仪中，因此你不需要做任何计算。
表1：基于矢量网络分析仪的阻抗测量中使用的阻抗和S参数变换。
1- port reflection: 单端口反射法
2- port series thru: 双端口串联直通法
2-port shunt thru: 双端口并联直通法
这三种测量技术在特定阻抗范围内都很精确。每种测量技术的推荐范围如表2所示。
表2：基于矢量网络分析仪的阻抗测量的高保真度测量范围。
Measurement: 测量； dynamic range: 动态范围
单端口反射法
双端口串联直通法
双端口并联直通法
这些是推荐的范围。只要在测量之前进行仔细的仪器校准，大多数矢量网络分析仪都能做的更好。
最常见的去耦电容值之一是0.1µF，这是我为什么选择0.1µF低等效串联电阻的陶瓷电容进行测量的原因。我使用OMICRON Lab Bode 100对电容样品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矢量网络分析仪导出到Touchstone格式，然后在Keysigt ADS数据显示器上同时显示出来。正如你看到的那样，这里显示的测量技术可以扩展Bode 100的动态范围。
图1：比较三种用矢量网络分析仪测量100nF陶瓷电容阻抗的技术。
Ref: 反射法；shunt: 并联直通法；series: 串联直通法；freq: 频率
在从大约100Hz到300kHz的频率范围内，所有三种方法的表现都一致的好，它们的测量性能都远好于推荐范围。在小于100Hz和大于1MHz时它们也都发生了偏离。双端口并联直通法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。双端口串联直通法在测量阻抗值时非常精确，因此在1Hz时可以提供正确的阻抗值，本例中是1.6MΩ。单端口反射测量方法在低阻抗和高阻抗范围内都不太精确。
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矢量网络分析仪配件的阻抗适配器。阻抗适配器使用电阻桥来扩展动态范围。图2中连接矢量网络分析仪的阻抗适配器具有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。
图2：将阻抗适配器连接到Bode 100进行电容的测量。
第二种方法是在矢量网络分析仪的每个端口之间插入一个电阻。图3显示了采用“TEE”型结构测量的器件。通过选择串联电阻可以修改这种方法的阻抗范围。
图3：这种双端口阻抗测量装置采用了由串联电阻Reseries1和Rseries2组成的“TEE”型结构。
串联电阻和并联电容的连接如图4所示。
图4：在图3所示原理图基础上使用串联电阻的双端口阻抗测量。
电容的测量是同时使用阻抗适配器和双端口并联串联电容的方法进行的。测量结果直接从Bode 100矢量网络分析仪导出到Touchstone格式，然后在Keysight ADS数据显示器上同时显示，如图5所示。
图5：用阻抗适配器和带串联电阻的双端口一起精确地测量从1Hz到50MHz范围内的100nF电容，包括谐振点的10mΩ阻抗。
Extended: 扩展端口；adapter: 阻抗适配器
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。带串联电阻的双端口可以在10mΩ谐振时作出更加精确的评估。部分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适配器接触电阻变化的影响。不管怎样，阻抗适配器的性能都远远超出规定的20MHz点6Ω性能，而且两种方法都能提供很高的动态范围。
这两种方法各有优缺点。阻抗适配器很容易使用，不要求将元件焊接到印刷电路板上。另外，它具有较高的最小阻抗，要求短暂开路和负载校准，而且测量范围不能调节。通过选择串联电阻，可以针对特定范围对带串联电阻的双端口并联方法进行优化。这种方法通常要求将元件安装到电路板上进行测量。
本文介绍了三种矢量网络分析仪阻抗测量方法：单端口发射法、双端口串联直通法和双端口并联直通法，以及它们各自支持的动态范围和阻抗范围。其中有两种简单的矢量网络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。
本文来自《电子工程专辑》2017年10月刊，版权所有，谢绝转载
