在配電網(wǎng)中會(huì)大量使用旁路電容，其阻抗特性一般需要在比較寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量。在測(cè)量參數(shù)和儀器都準(zhǔn)備好的情況下，還需要合適的夾具將電容連接到測(cè)量?jī)x器上。本文介紹一種簡(jiǎn)單的吸錫線夾具來達(dá)到測(cè)量的目的。雖然它具有誤差大、連接不確定和連接阻抗不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，但對(duì)于頻率在10MHz以下和阻抗只有幾個(gè)mΩ的情況，這種簡(jiǎn)單的夾具足夠應(yīng)付了。

 

旁路電容器的阻抗可以在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量，我們可以由此了解該部件的小信號(hào)等效行為。通過對(duì)復(fù)阻抗進(jìn)行后處理，可以得到作為頻率函數(shù)的電容、有效串聯(lián)電感（ESL）和有效串聯(lián)電阻（ESR）。如果需要，也可以將DC和AC偏置電壓相關(guān)參數(shù)和溫度添加到輸入?yún)?shù)組中。這些在早期出版的書刊中都有詳細(xì)描述。用于同樣目的的儀器和測(cè)量設(shè)置也早已確定。為了測(cè)量具有高電容和低ESR的旁路電容的阻抗，在雙端口并聯(lián)連接中要選擇合適的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）。

 

一旦準(zhǔn)備好測(cè)量?jī)x器，接下來的挑戰(zhàn)就是如何將電容器連接到儀器上。對(duì)于快速和簡(jiǎn)單的測(cè)量，自制的夾具就足以應(yīng)對(duì)啦。

 

吸錫線夾具

 

這個(gè)夾具雖然簡(jiǎn)單又原始，但在低頻率下工作得非常好。我們可以用兩根又薄又軟的同軸電纜線，一端帶有連接器，另一端帶有麻花辮。使用一個(gè)RG-178 SMA電纜跳線并在中間切斷，可以得到兩根相同長(zhǎng)度的電纜。低頻時(shí)，連接器類型無關(guān)緊要，而SMA連接器相對(duì)較小，成本低且容易從市面上買到。切割后，電纜線長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)，以便連接網(wǎng)絡(luò)分析儀和我們的夾具，并放置在前面的工作臺(tái)上（如果可以的話，我們應(yīng)該選擇盡量短的電纜，只要可以連接就行了） 。

 

剝開開口端的塑料護(hù)套，解開約1/4英寸線辮，并用辮子的方法連接起來。接下來，切割兩個(gè)1英寸的吸錫線，在熱縮短管上滑動(dòng)，以串聯(lián)方式焊接兩根同軸電纜，將熱縮管滑動(dòng)到位，最后用熱風(fēng)槍吹熱縮管使之收縮。這樣我們就制作好了一個(gè)靈活的夾具，如圖1所示。我們需要標(biāo)記清楚，哪個(gè)是連接中心線的，哪個(gè)是連接同軸電纜線辮的。我們可以使用彩色熱縮管，也可以像圖1那樣，用較長(zhǎng)的熱縮管標(biāo)識(shí)同軸電纜的返回（線辮側(cè)）。

 

圖1：夾具的吸錫線（上圖）和D號(hào)電容器（下圖）。

 

電容器可以放置在兩個(gè)裸露的吸錫線導(dǎo)體之間，構(gòu)成一個(gè)雙端口分路測(cè)量方案。在圖1的下面，夾具中是一個(gè)D號(hào)（7.3×4.3 mm）電容器。這種夾具最適合利用安裝壓力產(chǎn)生連接（pressure-mount connection），不適用于焊接。其好處是，通過壓力產(chǎn)生接觸，可以避免組件產(chǎn)生熱應(yīng)力，還可以快速更換測(cè)量器件。壓力安裝連接可以通過裝有彈簧的塑料或木夾來實(shí)現(xiàn)，甚至可以用手指擠壓夾具使測(cè)量器件就位。如果擔(dān)心身體阻抗會(huì)引起誤差，可以在沒有放置電容器時(shí)用手指抓住吸錫線電極，然后讀取阻抗值。只要讀數(shù)遠(yuǎn)高于電容器的阻抗，就可以忽略這個(gè)誤差。

 

如果我們使用短電纜并將頻率限制在10MHz以下，通過VNA進(jìn)行簡(jiǎn)單的響應(yīng)直通校準(zhǔn)（response-through calibration）就足夠了。請(qǐng)注意，校準(zhǔn)和測(cè)量是在不改變/斷開電纜的情況下完成的，這可以提高測(cè)量的一致性。

 

我們還應(yīng)該進(jìn)行額外的參考測(cè)量，必須在沒有被測(cè)設(shè)備（DUT）的情況下（斷開）測(cè)量夾具，然后再測(cè)量有DUT的情況。圖2顯示了這些參考案例的阻抗讀數(shù)。我們所用的短路裝置如圖3所示。額外的電容器被拿走，零件底部的接線端子用一條吸錫線短路。

 

圖2：開路和短路情況下的阻抗大小。

 

注意，短路參考器件的阻抗不完全為零，它具有有限的電阻和電感。為了測(cè)量真正的低阻抗，我們需要對(duì)短路器件進(jìn)行表征，并進(jìn)行更復(fù)雜的校準(zhǔn)。

 

圖3：D號(hào)短路參考器件。

 

在這個(gè)非常原始的夾具中，兩個(gè)VNA端口之間通過線辮直接連接，形成了一條“隱蔽路徑”。結(jié)果，對(duì)于短路讀數(shù)（以及其它所有讀數(shù)），我們得到的是如下參數(shù)的混合：

 

a）DUT的實(shí)際阻抗；

b）一些接觸電阻；

c）由這條“隱蔽路徑”產(chǎn)生的殘余誤差。

 

開路讀數(shù)和短路讀數(shù)為我們提供了一個(gè)阻抗范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)我們可以信任只做了響應(yīng)直通校準(zhǔn)的夾具所測(cè)得的數(shù)據(jù)：DUT阻抗至少應(yīng)是上限值的3~5倍（最好是10倍或以上）。在低頻時(shí)，對(duì)應(yīng)于開路和短路的跡線阻抗分別為20kΩ和2mΩ。短路阻抗跡線的上升尾部是由它的電感造成的。還要注意儀器噪聲設(shè)置的測(cè)量下限低于0.1mΩ。

 

圖4顯示了使用該夾具測(cè)量的10個(gè)DUT的阻抗大小。這些數(shù)據(jù)是通過用手將吸錫線按壓在電容器端子上收集得來的。

 

圖4：10個(gè)被測(cè)電容器的阻抗大小。

 

頻率讀數(shù)接近1kHz，表明所測(cè)量的470μF電容具有嚴(yán)格的容差。當(dāng)頻率超過10 kHz，曲線開始分散，在1 MHz的串聯(lián)諧振頻率附近發(fā)散度達(dá)到最大。對(duì)于大容量電容器，數(shù)據(jù)表僅保證ESR的最大值（不是典型值或最小值），我們?cè)谶@里看到的發(fā)散是典型的。

 

當(dāng)然，對(duì)于這種簡(jiǎn)單的夾具，我們還需要考慮接觸電阻的擴(kuò)展和一致性。在串聯(lián)諧振頻率之上，擴(kuò)展會(huì)繼續(xù)。從 1MHz到10MHz的上升表示電感效應(yīng)。電感與電流路徑的形狀有關(guān)。由于這些電容器的大小和形狀非常一致，電感擴(kuò)展的可能原因也許是我們將夾具按壓到DUT時(shí)，吸錫線連接線圈的尺寸變了。

 

我們總是可以重新測(cè)量異常的器件。這樣我們就知道數(shù)據(jù)是否需要更新，或一些部件是否異常。記住需要定期清潔吸錫線表面以去除污漬，同時(shí)還必須確保元件端子干凈。

 

總之，這種簡(jiǎn)單的夾具可能確實(shí)有一些缺點(diǎn)：“隱蔽路徑”會(huì)引起誤差，吸錫線軟連接使電纜之間的連接更加不穩(wěn)定，而且接觸電阻可能變化。但是，對(duì)于頻率低于10 MHz、阻抗高于幾mΩ的測(cè)量，這種夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接簡(jiǎn)便、校準(zhǔn)容易，它所帶來的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其缺點(diǎn)。

 

-Istvan Novak是Oracle的高級(jí)首席工程師，在高速數(shù)字、RF和模擬電路以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有超過30年的經(jīng)驗(yàn)。他是IEEE的資深會(huì)員，著有兩本有關(guān)電源完整性的書。他也講授信號(hào)和電源完整性課程，并維護(hù)一個(gè)SI / PI網(wǎng)站。

 

電子技術(shù)設(shè)計(jì)。

 

 

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