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2 VNA方法准确测量陶瓷电容器

文章作者:Steve Sandler

通过扩展矢量网络分析仪的范围，两种简单的技术可以实现精确的、宽带的频率测量。

在电路性能方面，陶瓷电容器在稳压器控制回路稳定性和电力输送网络(PDN)阻抗方面发挥了巨大的作用。当设计与这些电路订书钉，你需要良好的阻抗数据在一个宽的频率范围。正确的测量技术是进行精确测量的关键。下面介绍如何使用两种简单的技术，通过扩展矢量网络分析仪(VNA)的范围来实现精确的、宽带的频率测量。

陶瓷电容的阻抗动态范围大，测量难度大。较大的钽和铝电解电容器的动态范围更低，更容易测量。

考虑测量100NF陶瓷电容器。在1Hz时，电容电抗约为1.6mΩ。在串联共振时，等效串联电阻（ESR）通常约为10mΩ。在宽频范围内精确测量该电容需要动态范围 - 在低阻抗处的最低频率下的电容阻抗与至少164dB的低频率的比率。

图1:阻抗方程

一些工程师可能会争辩说，测量电容到1Hz太低了，因为即使是Keysight E5061B网络分析仪也只能测量电容到5Hz的阻抗。本文提出的技术可以将测量范围扩展到1Hz，动态范围为164dB。在10Hz开始扫描将动态范围降低到144dB。但是，在每一个阻抗极值上增加10dB的噪声裕度可以让你回到所需的164dB范围。

选择正确的工具

除了专用阻抗分析仪，很少有仪器能够支持如此大的动态范围。如果测量这些组件是您工作的主要部分，并且您没有任何预算限制，那么使用专用的高性能阻抗分析仪可能是一个很好的选择。否则，这可能不是一个现实的选择。VNA是次优选择。VNAs测量阻抗，可以显示电容、电感、实、虚、幅值等。

VNA可以使用三种不同的技术来测量阻抗。这三种技术都是基于散射参数(s参数)。这三种方法以及s参数到阻抗的转换如图2所示。幸运的是，这些阻抗转换通常内置在VNA中，所以你不需要做任何计算。

图2:基于vna阻抗测量的阻抗和s参数变换。

每种测量技术在特定的阻抗范围内都是精确的。每种测量的推荐范围如图3所示。

图3:基于vna阻抗测量的高保真测量范围。

这些都是推荐的范围，大多数VNA可以在执行测量之前通过仔细的仪器校准进行更好的工作。

其中一个最常见的解耦电容值是0.1µF，这就是我选择0.1µF低ESR陶瓷电容进行测量的原因。我使用OMICRON实验室Bode 100测量了三种技术的电容器样本。图4显示了结果。测量结果直接从Bode 100 VNA输出到Touchstone格式，并在Keysight ADS数据显示器中同时显示。正如您将看到的，这里显示的测量技术可以扩展Bode 100的动态范围。

图4：比较了100nF陶瓷电容器的三种VNA阻抗技术。

在100Hz到300kHz的频率范围内，这三种方法表现得非常一致，并且它们的性能都比推荐的范围要好得多。它们也都在100Hz以下和1MHz以上发散。2端口分流通过方法是非常准确的在低阻抗量级，因此该技术的结果10mΩ阻抗在谐振。2端口串联通过测量阻抗值是非常精确的，因此它提供了正确的阻抗在1Hz, 1.6MΩ在这个例子。1端口反射测量证明是不准确的在低阻抗和高阻抗范围。

有两种测量技术是有效的

您可以精确测量电容从1Hz到50MHz使用两种技术，扩展动态范围。一种是使用阻抗适配器，通常作为VNA的附件。

阻抗适配器使用电阻桥来扩展动态范围。阻抗适配器，如图5所示连接到VNA，推荐范围为20mΩ在1Hz。在20MHz谐振频率下，推荐的最小阻抗测量约为6Ω。在低频时，推荐的最大阻抗为600kΩ。

图5:阻抗适配器连接到BODE 100，以使您测量电容。

第二种方法是在每个VNA端口之间插入一个电阻。图6显示了以“TEE”配置测量的设备。这种方法的阻抗范围是通过选择串联电阻来修改的。

图6:这两个端口阻抗测量设置使用串联电阻Reseries1和Rseries2在“TEE”配置。

串联电阻和分流电容如图7所示连接。

图7:基于图6原理图的串联电阻的双端口阻抗测量。

电容测量采用阻抗适配器和2端口分流串联电阻法。测量结果直接从Bode 100 VNA输出到Touchstone格式，并在Keysight ADS数据显示器中同时显示，如图8所示。

图8:阻抗适配器和带有串联电阻的2端口都精确测量了从1Hz到50MHz的100nF电容，包括10mΩ谐振阻抗。

两种方法都能适应整个164dB的动态范围，从1Hz的1.6MΩ到共振时的10mΩ。带有串联电阻的2端口在10mΩ谐振处的评估稍微更加准确。这是由于部分直接焊接电容到印刷电路板安装，消除阻抗适配器接触电阻之间的校准和测量变化。在任何情况下，阻抗适配器远远超过其指定的性能6Ω在20MHz和两种方法提供了非常高的动态范围。