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總結電容工作原理與用法

来源:http://www.ntweilai.com 更新:2013-11-01 13:07

無論在何種情況下,兩個具有不同電位的導體間都會産生電容。在兩個具有不同電位的導體之間,總是存在一個電場。電場中存儲的能量由驅动電路供給。因为驅动電路是一個功率有限的激勵源,所以在任何兩個導體之間的電壓将在有限的時間内建立一個穩定狀态值。随着能量的注入,電壓會很快地建立或衰減,其中對電壓的阻力稱为電容。例如兩個平等金屬闆的結構,在低電壓下包含了大量電荷,所以電容就很大。

圖1.5顯示了由30歐激勵源驅动一個電容時理想的電流和電壓波形,電容階躍響應的上升變化顯示为一個時間的函數。當電壓階躍剛開始時,大量的能量流入電容,從而建立起它的電場。進入電容的初始電流相當高,而電壓階躍剛開始時,大量的能量流入電容,從而建立起它的電場。進入電容的初始電流相當高,而電壓與電流的比值Y(T)II(T)非常低。在很短的時間範圍内,電容看起来就像一個短路連接。

随着時間的推移,比值Y(T)II(T)逐漸增大。最終,電流下降至接近于零,電容此時看起来像開路一樣。最後,電容内的電場完全建立,由于電介質非理想的絕緣性質,電容兩極之間隻有一個很小的洩漏電流存在。此時的Y(T)II(T)比值非常高。

有此電路元件的階躍響應在某個時間範圍内顯示为電容特征,而在另外的時間範圍内顯示为電感特征,或者相反,舉例来說,電容的安裝引腳在非常高的頻率時,其電感通常足以使整個元件呈現为電感特征。該電容的階躍響應在零時刻會出現一個微小的脈沖,也許僅有數百皮秒(對應于引腳電感大小),接着下降至零,随後才是一個正常的容性上升斜線。

如果階躍激勵源的上升時間太慢,輸出曲線的軌迹将不會出現電感性尖脈沖。由于脈沖非常短,如果示波器的掃描時間基準設定得太慢,也很容易會錯過。令人感興趣的是,通過調整上升時間和設定掃描時間基準,我們可以使電路元件的階躍響應測量結果在某個特定頻率範圍内特征更加突出。概括来說,如果階躍上升時間是TR,接近零時刻的階躍響應與電路元件在頻率FA附近的阻抗大小有關:FA=0.5/TR

其中,TR=階躍激勵源的上升時間

FA=近似分析頻率

通過直觀地平均整個時間周期上的階躍應值,我們可以休息出較低頻率上的阻抗大小。采用上式可以計算出應于一個平均周期值TR的近似分析頻率。

階躍響應的最終數值顯示出了直流時的阻抗。

僅從一個階躍上升時間TR,我們無法推斷出比FA更高的頻率分量上更多特性。隻有階躍激勵源的信号頻率足夠高,才能确保揭示出所想要看到的情況。

圖1.6描繪了一個測量裝置,适合用来表現一個幾皮法電容在納秒級時間周期上的特性。这個裝置适用于揭示諸如印刷電路走線、六電路輸入電容、旁路電容元件以及其他數字電路通用元件的電容特性。該方法通過一個已知的電阻来驅动被測電容。通過測量産生波形的上升時間,可以推導出電容的容值。與音頻電路所用技術相比較,这個裝置非常複雜。複雜性来自于在高頻電磁場能量的控制和引導方面的困難。同軸電纜用来直接引導測試信号,并把測量結果輸入輸出到一個小于1IN的完整地平面,該處是實際進行測量的位置。把測量區域限制为NIN,是为了确保電路呈現为集總電路的特性。

例1.1 一個小的接地電容的測量

本例中(見圖1.6)的被測設備(DUT)是一個平行闆電容器。采用0.5IN*0.75IN的1.5IZ覆銅印制在環氧樹脂FR-4印刷電路闆正面,背面是一個平行的完整地平面,标稱的平行間隔为0.008IN。这個結構一個電容器,附帶有非常低的寄生串聯電感。

測量裝置由兩個RG-174同軸電纜組成,分别用于信号的輸入和輸出。輸入電纜通過50歐端接到地,已端接的信号輸出通過一個1K的驅动電阻連接到被測設備。1K電阻隔離了被測設備與信号源,为信号幅度性能的一致性,面無需考被測設備的負載阻抗。

實際路中的信号源脈沖發生器應能提供幅度及上升時間與期望相近似的信号。當測量無源元件時,脈沖發生器的直流偏置不太重要。另一方面,當測量門電路輸入時,通常應使脈沖源的輸出覆蓋門電路輸入的整個轉換範圍,并向被測門電路提供能量,以使門電路偏置于實验所需的工作範圍之内。需要較大輸入驅动電流的門電路可能還會要求比1K更小的源端電阻。

如果信号發生器具有一個50歐的反端接器件,利用它可以減少輸入電纜上的反射。該器件在信号發生器輸出級插入一個50歐的串聯阻抗,可以減少信号源電纜的前向和反向反射,該反射通常是由測試夾具與信号源輸出阻抗之間不可避免的輕微不匹配而引起的。反向端接後,来自源信号的不必要反射被兩次衰減,第一次是被測試夾具彈回時,第二次是在源端反向端接電阻上反彈後返回到測量儀器的路徑上,反向端接雖然使信号源輸出的有效幅度降低了一半,但是改善了系統階躍響應。

輸出電纜通過一個1K電阻與被測電路隔離連接,另一端連到一個内部含有50歐端接的示波器輸入端。1K電阻起一個21:1探頭的作用。这里的輸入和輸出電纜都是3FT長。

輸出電纜通過一個1K電阻與被測電路隔離連接,另一端連到一個内部含有50歐端接的示波器輸入端。1K電阻起一個21:1探頭的作用。这個信号感應裝置的優點将在本書後面關于示波器探索測的小節中詳細闡述。这里的輸入和輸出電電纜都是3FT長。

當信号源的階躍輸入为2.6V,且DUT斷開時,这個探頭的開路響應結果如圖1.7所示。頂部的掃描線是以5NS/刻度記錄的,底部的掃描線記錄的是同一信号放大为500PS/刻度的視圖。

用于記錄这個波形的TEKTRINIX11403示波器自动計算出的10~90%上升時間为818PS标稱階躍幅度的1/21,而DUT上幅度1.3V是信号源驅动電壓的一半。

如圖1.8所示,这個實验配置的戴維南等效電路,将總系統上升時間都集中表現到信号源上。这里不關心究竟是信号源還是示波器使得觀察到的上升的時間變得更慢。任何一個具有近似開路的時間的信号源與示波器的合理組合,在这個DUT的影響下都會有類似的特性。我們隻關心已知的信号源-示波器的合理組合,在这個DUT的影響下都會有類似的特性。我們隻關心已知的信号源-示波器組合的總上升時間。當測量無源元件時,我們同樣隻關心觀察到的階躍幅度,而DUT上實際的電壓細節的探頭衰減比例都不重要。