由于陶瓷電容是影響穩(wěn)壓器控制環(huán)路穩(wěn)定性和供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）阻抗的主要因素，因此，它在電路性能中發(fā)揮著重要的作用。在使用這類電路進(jìn)行設(shè)計時，需要在寬的頻率范圍內(nèi)有良好的阻抗數(shù)據(jù)。正確的測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精確測量的關(guān)鍵。本文討論了如何使用兩種簡單的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精確，寬帶的頻率測量，方法是擴(kuò)展矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的范圍。

較大的鉭電容和鋁電解電容的阻抗動態(tài)范圍比較小，其電容值比較容易測量，而由于陶瓷電容的阻抗動態(tài)范圍很大，因此陶瓷電容值很難測量。

就拿100nF的陶瓷電容的測量來說。在1Hz的時，容性電抗約1.6MΩ。在串聯(lián)諧振時，等效串聯(lián)電阻（ESR）的典型值約為為10mΩ。在寬頻率范圍內(nèi)精確地測量這種電容要求動態(tài)范圍（最低頻率時的容性阻抗與低阻抗時的ESR之比）至少達(dá)到164分貝。

一些工程師可能會認(rèn)為，測量低至1Hz的時的電容值太小了，因?yàn)榧词筀eysight的E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀也僅能測量低至5HZ的電容阻抗。本文討論的技術(shù)可以將測量擴(kuò)展到1Hz的，動態(tài)范圍可達(dá)164分貝。從10Hz的開始掃描可以將動態(tài)范圍降低到144分貝。但在每個阻抗極限處增加10分貝的噪聲余量可以讓你馬上回到所要求的164分貝范圍。

選擇正確的儀器

除了專門的阻抗分析儀外，很少有儀器能夠支持如此大的動態(tài)范圍。如果測量這些元件是你的主要工作，而且你又沒有任何預(yù)算限制，那么使用專門的高性能阻抗分析儀可能是個很好的選擇。否則這個方案可能就不是現(xiàn)實(shí)的選擇。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是下一個最好的選擇。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量阻抗，并顯示電容，電感，實(shí)數(shù)，虛數(shù)，量級等。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀天生就可以使用三種不同的技術(shù)測量阻抗。所有這三種技術(shù)基于的都是散射參數(shù)（S參數(shù)）。表1列出了這三種方法以及從小號參數(shù)到阻抗的變換。幸運(yùn)的是，這些阻抗變換一般內(nèi)置在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，因此你不需要做任何計算。

基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗測量中使用的阻抗和小號參數(shù)變換。

1-端口反射：單端口反射法

雙端口串聯(lián)直通法

2端口分流器：雙端口并聯(lián)直通法

這三種測量技術(shù)在特定阻抗范圍內(nèi)都很精確。每種測量技術(shù)的推薦范圍如表2所示。

基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗測量的高保真度測量范圍。

單端口反射法

雙端口串聯(lián)直通法

雙端口并聯(lián)直通法

這些是推薦的范圍。只要在測量之前進(jìn)行仔細(xì)的儀器校準(zhǔn)，大多數(shù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都能做的更好。

最常見的去耦電容值之一是0.1μF，這是我為什么選擇0.1μF低等效串聯(lián)電阻的陶瓷電容進(jìn)行測量的原因。我使用OMICRON Lab Bode 100對電容樣品進(jìn)行了上述三種技術(shù)的測量。圖2顯示的就是測量結(jié)果。測量結(jié)果直接從Bode 100矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀導(dǎo)出到Touchstone格式，然后在Keysigt ADS數(shù)據(jù)顯示器上同時顯示出來。正如你看到的那樣，這里顯示的測量技術(shù)可以擴(kuò)展Bode 100的動態(tài)范圍。

在從大約100Hz的到300kHz的的頻率范圍內(nèi)，所有三種方法的表現(xiàn)都一致的好，它們的測量性能都遠(yuǎn)好于推薦范圍。在小于100Hz的和大于1MHz的時它們也都發(fā)生了偏離。雙端口并聯(lián)直通法在低阻抗量級時非常精確，因此這種技術(shù)在諧振時可以測量出為10mΩ的阻抗。雙端口串聯(lián)直通法在測量阻抗值時非常精確，因此在1Hz的時可以提供正確的阻抗值，本例中是1.6MΩ。單端口反射測量方法在低阻抗和高阻抗范圍內(nèi)都不太精確。

兩種測量技術(shù)沒問題

你可以使用兩種擴(kuò)展動態(tài)范圍的技術(shù)在1Hz的到50MHz的范圍內(nèi)精確地測量電容值。一種方法是使用通常作為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配件的阻抗適配器。阻抗適配器使用電阻橋來擴(kuò)展動態(tài)范圍。圖2中連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗適配器具有赫茲時20毫歐的推薦范圍。在20MHz的諧振頻率點(diǎn)，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。

第二種方法是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的每個端口之間插入一個電阻。顯示了采用“TEE”型結(jié)構(gòu)測量的器件。通過選擇串聯(lián)電阻可以修改這種方法的阻抗范圍。

電容的測量是同時使用阻抗適配器和雙端口并聯(lián)串聯(lián)電容的方法進(jìn)行的。測量結(jié)果直接從Bode 100矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀導(dǎo)出到Touchstone格式，然后在Keysight ADS數(shù)據(jù)顯示器上同時顯示。

兩種方法都能適應(yīng)從1Hz的時的1.6MΩ到諧振點(diǎn)為10mΩ的整個164分貝動態(tài)范圍。帶串聯(lián)電阻的雙端口可以在為10mΩ諧振時作出更加精確的評估。部分原因是將電容直接焊接在印刷電路板上，消除了校準(zhǔn)與測量之間阻抗適配器接觸電阻變化的影響。不管怎樣，阻抗適配器的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)定的20MHz的點(diǎn)6Ω性能，而且兩種方法都能提供很高的動態(tài)范圍。

比較這兩種方法

這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。阻抗適配器很容易使用，不要求將元件焊接到印刷電路板上。另外，它具有較高的最小阻抗，要求短暫開路和負(fù)載校準(zhǔn)，而且測量范圍不能調(diào)節(jié)。通過選擇串聯(lián)電阻，可以針對特定范圍對帶串聯(lián)電阻的雙端口并聯(lián)方法進(jìn)行優(yōu)化。這種方法通常要求將元件安裝到電路板上進(jìn)行測量。

總結(jié)

本文介紹了三種矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀阻抗測量方法：單端口發(fā)射法，雙端口串聯(lián)直通法和雙端口并聯(lián)直通法，以及它們各自支持的動態(tài)范圍和阻抗范圍其中有兩種簡單的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀方法可以用來精確地測量100nF的陶瓷電容的164分貝動態(tài)范圍。