可消除这种寄生电容的电路设计方案资料下载

作者： 廖涌，程曦 在被测点阻抗较高时，即使该点仅有较小的电容，其带宽也会受限。在基于磁簧继电器的多路选择器中，由于各磁簧继电器的寄生电容会在输出端并联，加大了输出端的电容，使得电路的带宽变窄。本文介绍了可消除这种寄生电容的电路设计方案。 多路选择器是一种能从多路输入信号中选出一路并将其输送至输出端的一种器件。在测试自动化领域，它可以取代人工插拔线路，且能使一台单输入仪器自动测量多个信号，从而降低测试成本，节约测试时间。实现选择器的一种常用方法是使用磁簧继电器。磁簧继电器具有体积小、较半导体继电器导通电阻小且较电磁继电器反应速度快等优点。这些特点使得磁簧继电器受到各种选择器模块的青睐。 图1：磁簧继电器闭合(上)与开路(下)及其寄生元件。 磁簧继电器的结构及等效电路如图1所示。其非理想性主要源于其导通电阻(Ron)、两根干簧管间的开路电容(Cgap)以及干簧管到线圈间的电容(Coil1,2) 。不过这些非理想性在大多数情况下都是可以忽略的。下面我们用一个例子来说明这一点。 图2：基于磁簧继电器的50路多路选择器。 图2所示为基于继电器的多对一选择器的典型应用电路。 Vcc为线圈偏置电压，Ctrl n ( n = 1, 2, … , 50) 连于驱动电路(图中略去)。Cvcc和Cctrl 是位于继电器管脚之间和管脚与线圈之间的等效电容。与100Ω串联的电压源代表被测器件的输出端，3pf 电容并联10MΩ电阻则为等效示波器的典型输入阻抗。图中的电路有50路输入端，第50路输入端通过继电器连接于示波器，其它49路则处于开路状态。 对于以上电路，输入电压的频率需要多大，才会使得示波器量得的信号明显有别于实际电压输入信号呢？为了计算这个问题，我们首先来简化一下上面的电路网络。我们注意到，点A的对地电容是该网络各节点中最大的：其上有50个1.4pf Cvcc并联接地。所以，在该网络的-3dB频率，点A的对地阻抗应该接近于100Ω的电压源输出电阻。由于继电器开路电容Cgap远远小于点A对地电容，相同频率下，可近似于开路。这样，与之串联的100Ω电阻也都可以忽略了。同理，Cctrl50也可视为开路。这样，我们就得到了如下简化电路 ： 图3：-3dB频率下图2中电路的简化等效电路。 该简化网络的-3dB频率为： 可见，对于数兆赫以下的中低频应用场合，基于磁簧继电器的多路选择器可近似为理想导线。 高阻测试点应用 然而，当被测仪器的输出阻抗较大时，情况就不同了。我们还是来举一个例子。如图4所示 (等效电路见图5)，该网络与图3几乎一样，唯一的区别是被测器件的输出由电压源变成了电流源。为了不让任何一个电流源开路，这里使用了单刀双掷型继电器。Rload将电流转为电压，以供示波器测量。假使继电器寄生元件参数不变，由于Rload有20KΩ的电阻，该网络-3dB频率将降到仅60kHz左右。在实际应用中，由于PCB和线路的电容，其-3dB频率会更低。这样一来，即使对低频电路，这样的多路选择器也变得不再适合了。 图4：50路选择器接电流源。图5：50路选择器接电流源的等效电路。 尽管上述分析使用了电流源，但在被测器件是输出电阻较大的电压源时也会发生以上情况。 下面，我们将介绍一种可基本消除点A电容的电路。使用该电路后，上述多路选择器的频率可被拓宽数十倍，因而可应用于高阻抗测试点。减少电容不单可以增加带宽，在被测端接反馈网络的情况下 (比如运放输出端)，也可以改善稳定性。此外，小电容也有利于测试输出端的阶跃响应。总之，在选择器的输出端减小电容，有明显的好处。 电容消除电路 我们接下来会介绍若干种方法来减小A点的电容。我们使用电流源电路来说明这些方法，但是这些方法也可用于电压源电路。 为了思考这一问题，我们首先需要找出这些寄生电容的成因。经过观察，我们不难发现点A的寄生电容主要有两个来源。图6和图7绘出了容性电流的通路。显然，解决问题的关键就在于阻断这两条容性电流通路。我们接下来就分别研究这两条通路。 图6：容性电流通路1。图7：容性电流通路2。 消除Cgap 首先我们来看图6。这一通路流经50个并联的继电器开路电容Cgap，回到交流地Vbias。50个Cgap并联，形成了一个较大的电容。 也许你会问，为什么不关闭不用的电流源，这样不就不需用单刀双掷继电器，而用单刀单掷的就可以了？这样，Cgap的问题不就不存在了吗？遗憾的是，事实并非如此。 首先，即便电流源关闭，它还是会有并联寄生电容。该电容可以在高频将其接地。 其次，即便电流源的输出电容很小，Cgap还是会连到Cctrl，而Cctrl则会连到驱动电路，驱动电路上还有线圈续流复位二极管。这些电路的电容会通过Cctrl接地，而这些电容一般与Cctrl相当，或更大。所以点A由于Cgap并联而有的电容值还是会很大。 因此，我们将保留单刀双掷的设计。之后我们将看到，这样的设计将便于实现电容消除电路。 回到消除Cgap的讨论。电容的电流是由电容两端电压变化引起的。 既然点A的电压必须变化，那我们能不能使得电容的另一端不接地(交流地)，而接到与A一齐变化的电位上呢？顺着这样的思路，我们得到了如图8的电路。 图8：一种消除Cgap的方法。 图8中，点A的信号经过运放隔离后，加上一个直流偏置，被回送到Vbias2。右边的运放输出为： Voffset 是直流电压偏置，其值可正可负，作用是给不使用的电流源一个合适的直流电压偏置值。 图8的方法需要两个运放(除非Voffset为0)。如果Voffset为0，另一运放可直接连到Vbias2。实际上可以省去一个运放，图9给出了使用一个运放和一个浮动电源的电路。 图9：用浮动电源消除Cgap。 好在许多常见的实验室电源都是浮动的：其输出端由变压器隔离。比如Keysight E3631A和E3646A，其负极和地之间的电容在我们所讨论的应用中可以忽略。 图9虽然省了一个运放，但还是需要有源元件。图10给出了只需一个电阻就可以达到类似效果的方案，该方案仅在特殊情况下成立，但此特殊情况却并不罕见： 图10：使用电阻消除Cgap的电路。 如果选择器上的每一个被测器件都相同，并且可以在不被测时同时开启，那么我们就能使每个被测器件输出同样的波形。Rload2的值为： 式中，n是被测器件的总数，在我们的例子里是50。 I是单个被测器件的输出电流，In = I (n = 1,2,…50)。 可见，这将使得Cgap两端的电压保持不变，从而切断容性电流的通路，Cgap也就不再影响点A了。 消除Cvcc 研究完消除Cgap的电路，我们再来研究如何消除Cvcc。这一通路主要由许多Cvcc构成，最终流回了Vcc——继电器线圈的直流偏置电压。有了之前消除Cgap的经验，我们不难得到一个类似的电路。图11用一个浮动电源来达到消除Cvcc的效果。 图11：Vcc 被直流和交流电压同时驱动。 这样一来，似乎我们所有的问题都应该解决了。很遗憾，实验结果表明，上图的电路并不能消除所有的Cvcc。何以如此呢？我们需要再仔细观察一下继电器线圈的模型。