Как измерить зависимость емкости от напряжения для многослойного керамического конденсатора

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2016

Fons Janssen, Maxim Integrated

EDN

Введение

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) большой емкости обладают свойством, не всегда хорошо понимаемым разработчиками электроники: емкость этих устройств изменяется в зависимости от приложенного к ним постоянного напряжения. Это явление присутствует во всех конденсаторах с большой диэлектрической проницаемостью (с диэлектриками B/X5R R/X7R и F/Y5V). Однако степень изменения может значительно различаться в зависимости от типа MLCC. Хорошая статья на эту тему была написана Марком Фортунатто (Mark Fortunato) [1].

Вывод, который вы должны сделать для себя из этой статьи заключается в том, что всегда необходимо обращаться к справочной документации, чтобы узнать, как зависит емкость конденсатора от напряжения смещения. Но что делать, если в документации этой информации нет? Как можно узнать, какая часть емкости оказалась потерянной в условиях вашего приложения?

Теория измерения зависимости емкости от напряжения смещения

Схема, предназначенная для измерения зависимости емкости от постоянного напряжения смещения, показана на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Схема для измерения зависимости емкости от напряжения смещения.

Эта схема сделана на операционном усилителе (ОУ) U1 типа MAX4130. Усилитель работает как компаратор, величина гистерезиса которого устанавливается резисторами обратной связи R2 и R3. Поскольку напряжение порога, задаваемое диодом D1, превышает уровень «земли» (GND), источник отрицательного напряжения для питания этой схемы не требуется. C1 и R1 образуют цепь обратной связи между выходом и инвертирующим входом, превращающую схему в RC-генератор. Измеряемый конденсатор C1 выполняет функцию одного из времязадающих элементов RC-генератора – C, а потенциометр R1 – функцию резистора R.

Формы напряжений на выходе ОУ (V_Y) и в точке соединения R и C (V_X) приведены на Рисунке 2. Когда выходное напряжение ОУ равно 5 В, конденсатор заряжается через R1 до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет верхнего порога компаратора. Тогда компаратор переключается, и конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока напряжение V_X не достигнет нижнего порога, и на выходе вновь установится 5 В. Этот процесс повторяется, в результате чего в схеме устанавливается устойчивая генерация.

Рисунок 2.	Форма напряжений в точках VX и VY.

Период колебаний зависит от значений R и C, а также от уровней верхнего и нижнего порогов V_UP и V_LO:

Напряжение питания 5 В, а также пороговые напряжения V_UP и V_LO постоянны, поэтому T₁ и T₂ пропорциональны произведению R·C, называемому также постоянной времени.

Пороговое напряжение компаратора является функцией V_Y, R2, R3 и прямого напряжения диода D1 (V_D):

Фактически, V_UP – это порог при V_Y = 5 В, а V_LO – порог при V_Y = 0 В. При выбранных параметрах схемы уровни этих порогов составляют примерно 0.55 В для V_LO и 1.00 В для V_UP.

Схема на транзисторах Q1 и Q2 преобразует период импульсов в пропорциональное напряжение. Работает она следующим образом. MOSFET Q1 управляется выходным напряжением U1. На отрезке времени T₁ транзистор Q1 включен и закорачивает на землю напряжение на конденсаторе C3. В течение времени T₂ транзистор Q1 закрыт, предоставляя источнику постоянного тока (Q2, R5, R6 и R7) возможность линейно заряжать конденсатор C3¹). Поскольку пауза T₂ между импульсами больше их длины T₁, напряжение на C3 становится выше. На Рисунке 3 показана форма напряжения на конденсаторе C3, установившаяся после трех периодов колебаний.

Рисунок 3.	C3 закорочен на землю в течение времени T1 и линейно заряжается на интервале T2.

Среднее напряжение V_C3 на конденсаторе C3 равно

Поскольку I, C3, α и β в этой формуле являются константами, среднее напряжение на C3 пропорционально T₂ и, следовательно, также и C1.

Фильтр нижних частот R8, C4 удаляет переменную составляющую сигнала, а ОУ U2 (MAX9620) с низким напряжением смещения буферизует выход, что позволяет подключать к схеме с любой вольтметр.

Перед выполнением измерений схеме потребуется простая калибровка. Первым делом в схему запаивается измеряемый конденсатор, и напряжение V_BIAS устанавливается равным 0.78 В (среднему между напряжениями V_LO и V_UP), чтобы среднее (постоянное) напряжение на C1 равнялось нулю. Выходное напряжение будет меняться при вращении потенциометра R1. Регулировкой R1 установите на выходе напряжение 1.00 В. При этом пиковое напряжение на C3 составит примерно 2.35 В²). Напряжение смещения V_BIAS можно изменять, при этом выходное напряжение покажет результирующее процентное изменение емкости. Например, если напряжение на выходе равно 0.80 В, емкость при данном смещении составляет 80% от значения при смещении 0 В.

Лабораторные измерения подтверждают теорию

Изображенная на Рисунке 1 схема была собрана на маленькой печатной плате. Первое измерение было сделано с использованием случайно выбранного конденсатора 10 мкФ. На Рисунках 4 и 5 показаны сигналы при смещении 0 В и 5 В, соответственно.

Рисунок 4.	Измерение при VBIAS = 0 В: Канал 1 = VX, Канал 2 = VY. Потенциометр R1 был установлен в положение, при котором вольтметр показывал 1.000 В.

При напряжении смещения 0 В потенциометром R1 было установлено выходное напряжение 1.000 В. При смещении 5 В вольтметр показывал 0.671 В, сообщая, что осталось 67.1% емкости. Кроме того, точным частотомером также измерялся период импульсов T. При смещении 0 В период равнялся 4933 мкс, а при 5 В – 3278 мкс, что соответствовало оставшейся емкости 66.5% (3278 мкс/4933 мкс). Эти значения очень хорошо согласуются, подтверждая, что предложенная схема может точно измерять степень уменьшения емкости в зависимости от напряжения смещения.

Рисунок 5.	Измерение при VBIAS = 5 В. Хорошо видно, насколько уменьшился период колебаний из-за снижения емкости. Канал 1 = VX, Канал 2 = VY, Канал 3 = VC3. Показание вольтметра 0.671 В.

Второе измерение выполнялось с использованием конденсатора 2.2 мкФ/16 В из предлагаемого Murata набора образцов (обозначение для заказа GRM188R61C225KE15). В этом измерении результаты регистрировались в полном диапазоне рабочих напряжений от 0 В до 16 В. Относительная емкость определялась путем измерений как выходного напряжения, так и фактического периода колебаний. Кроме того, были использованы графики, основанные на результатах измерений, выполненных инженерами Murata, и доступные на сайте компании с помощью онлайн инструмента Simsurfing. Все результаты представлены на Рисунке 6. Графики, построенные на основе наших измерений, практически идентичны, что подтверждает хорошую точность преобразования времени в напряжение в большом динамическом диапазоне. Имеется некоторое отличие от данных из Simsurfing, но характер всех кривых одинаков.

Рисунок 6.	Зависимость относительной емкости многослойного керамического конденсатора 2.2 мкФ/16 В от напряжения смещения. Значения нормализованы относительно емкости при смещении 0 В. Синяя кривая основана на измерениях выходного напряжения схемы, красная – на измерениях периода импульсов, а зеленая взята из технической документации Murata.

Заключение

Используя описанную здесь схему, сдвоенный источник питания и вольтметр, очень легко измерить зависимость емкости MLCC от постоянного напряжения смещения. Быстрое лабораторное измерение покажет, насколько уменьшается емкость в результате приложенного напряжения.

Ссылки

Материалы по теме

---

Сноски