扩展向量网路分析仪范围 精确测量陶瓷电容

陶瓷电容是影响稳压器控制回路稳定性和供电网路阻抗的主要因素，对于电路性能发挥重要作用。使用这类电路进行设计时必须在宽频率范围提供良好的阻抗资料。本文讨论如何使用简单技术实现精确、宽频的频率测量。

陶瓷电容是影响电压稳压器控制回路稳定性与供电网路(PDN)阻抗的主要因素，因而对于电路性能发挥重要作用。在使用这类电路进行设计时，你必须在较宽的频率范围内提供良好的阻抗资料。正确的测量技术是实现精确测量的关键。本文讨论借由扩展向量网路分析仪(VNA)的范围，如何有效利用两种简单的技术实现精确、宽频的频率测量。

陶瓷电容由于具有高阻抗动态范围，因而难以测量其电容值。较大的钽电容和铝电解电容的动态范围较小，其电容值较容易测量。

就拿100nF陶瓷电容的测量来说。在1Hz时，电容电抗(容抗)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时，动态范围(最低频率时的容性阻抗与低阻抗时的ESR之比)至少必须达到164dB。

有些工程师可能会认为，测量低至1Hz的电容值太小了，因为即使是德科技(Keysight Technologies)的E5061B网路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开始扫描能将动态范围降低到144dB；但在每个阻抗极限增加10dB的杂讯余量，可以让你马上回到所要求的164dB范围。

选择正确的仪器

除了专门的阻抗分析仪外，很少有仪器能够支援如此大的动态范围。如果测量这些元件是你的主要工作，而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；否则这个方案可能并不实际。那么，向量网路分析仪则是下一个最佳选择。向量网路分析仪可以测量阻抗，并显示电容、电感、实数、虚数与量级等。

向量网路分析仪天生就可以使用三种不同的技术测量阻抗。这三种技术都是以散射参数(S参数)为基础。表1列出了这三种方法以及从S参数到阻抗的变换。值得庆幸的是，这些阻抗变换一般内建于向量网路分析仪中，因而无需进行任何计算。

这三种测量技术在特定阻抗范围内都很精确。每一种测量技术的推荐范围如表2所示。

这些是推荐的范围。只要在测量之前进行仔细的仪器校准，大多数向量网路分析仪都能做的更好。

最常见的去耦电容值之一是0.1μF，这就是我为什么选择0.1μF低ESR陶瓷电容进行测量的原因。本文在此使用OMICRON Lab Bode 100为例，针对电容样本进行了上述三种技术的测量。显示的就是测量结果。测量结果直接从Bode 100向量网路分析仪汇出到Touchstone格式，然后同步显示于Keysigt ADS资料显示器。正如你所看到的，这里显示的测量技术可以扩展Bode 100的动态范围。

在从大约100Hz到300kHz的频率范围内，三种方法的表现都一样好，它们的测量性能都比推荐范围更好得多。在小于100Hz和大于1MHz时也都出现了偏离。双埠并联直通法(Shunt Thru)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。双埠串联直通法(Series Thru)在测量阻抗值时非常精确，因此可在1Hz时提供正确的阻抗值，在本例中是1.6MΩ。单埠反射(reflection)测量方法在低阻抗和高阻抗范围内都不太精确。

两种可用的测量技术

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向量网路分析仪配件的阻抗配接器。阻抗配接器使用电阻桥来扩展动态范围。中连接至向量网路分析仪的阻抗配接器支援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。

第二种方法是在向量网路分析仪的每个埠之间插入一个电阻。图3显示采用‘TEE’型配置测量的元件。选择串联电阻可修改这种方法的阻抗范围。

电容的测量同时使用阻抗配接器和双埠并联与串联电容的方法进行。测量结果直接从Bode 100向量网路分析仪汇出到Touchstone格式，然后同时显示在Keysight ADS资料显示器。

这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。带串联电阻的双埠可以在10mΩ谐振时作出更加精确的评估。部份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配接器接触电阻变化的影响。无论何，阻抗配接器的性能都远远超出指定的20MHz时6Ω性能，而且这两种方法都能提供很高的动态范围。

两种方法的比较

这两种方法各有优缺点。阻抗配接器很容易使用，而且不必将元件焊接到印刷电路板上。另外，它具有较高的最小阻抗，需要短暂开路和负载校准，而且无法调整测量范围。借由选择串联电阻，可以针对特定范围为具有串联电阻的双埠并联方法进行最佳化。这种方法通常要求将元件安装到电路板上进行测量。

总结

本文介绍了三种原生的向量网路分析仪阻抗测量方法：单埠发射法、双埠串联直通法和双埠并联直通法，以及三种方法分别支援的动态范围和阻抗范围。其中有两种简单的向量网路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。