一种微小电容的测量电路

　　传统的测量技术已经难以满足当代对微小电容测量及检测技术的要求，而利用线性闭环运算放大器的高频测量电路，能较好地解决这个问题。图1 为利用闭环运算放大器测量微小电容的基本原理电路。

　　图中Gx 、Gx 分别为被测电容的电容量和等效并联漏电导， Rf 为反相端反馈电阻。由于采用了高速、高精度、高增益、宽频带、低漂移的运算放大器， 因此， 同相端可直接接地， 而不必串平衡电阻。该电路输出、输入电压之间的复数关系为

　　式中ω—激励信号的角频率

　　由公式可知测量电路对被测电容Cx 的灵敏度与信号源角频率成正比；测量电路对等效并联漏电导的灵敏度为常数，与ω无关。可见， 高频条件可大大提高对被测电容的灵敏度， 并有效降低漏电导的影响。实施测量时只要测量两次， 分别测出Uo和Ui , 便可求得Cx 和Gx。然而没有性能优良的高频信号发生器、高频放大器和解调器， 要想高精度、高灵敏度、高线性度、高稳定度、高速度、高分辨率地测量出微小电容量， 仍然只是纸上谈兵。

　　2 一种实用测量电路

　　本文提出一种性能优良、成本低廉的微小电容测量电路。

　　由图2 可见，高频正弦信号发生器输出的激励信号施加在被测电容Cx 上； 高频电容电流被检测器变换为交流电压， 再通过交流放大器放大后， 通过隔离变压器送到相敏解调器进行解调；解调器的对边臂被两个互补方波轮流触发， 解调后的信号通过低通滤波器滤除高次谐波得到的直流电压与被测电容Cx 成正比。

　　2.1 高频信号发生器

　　用数字电路和数模转换器产生的正弦波信号，虽然在波幅稳定性和频率稳定性方面都优于模拟电路产生的正弦波信号，但由于现有的EPROM 及DAC 速度不太高， 故难以产生高于100kHz以上的正弦波信号，除非是特殊设计的集成电路。

　　本文介绍的高频信号发生器， 不仅能产生标准的方波和正弦波，而且性能稳定，成本低廉。

　　图中， 8MHz的石英晶振作为时钟脉冲源， 经1/16分频器分频后得到的500kHz 高频信号暂存于寄存器中。其输出通过CMOS 开关网络送到电阻网络合成器，而产生的500kHz 标准正弦波再通过交流放大器放大后输出。另一路， 8MHz 的石英晶振输出的信号经过一个1/8分频器后，通过500ns延迟线及100ns 延迟线到达1/2分频器，输出两个互补方波，分别去触发相敏调制器。这两个互补的基准方波的相位差是由这两根延迟线的延迟时间加以调整的。

　　2.2 检测器和放大器

　　图4 中给出的为检测器和放大器的具体电路。

　　实验证明， 正确选择合适的运放是极其重要的。经多次实验， 最后选择了OPA627 和OPA637分别作为检测级和放大级。它们的增益带宽分别为16MHz 及80MHz。与反馈电阻22kΩ 相并联的补偿电容分别为10p F 与516p F , 其作用在于减少运放噪声， 保证带宽。Cs1 、Cs2为抗干扰去寄生的电容， 并可大大降低检测器的输出阻抗， 它们对被测电容Cx 并无影响。因为Cs1直接并在信号源两端，Cs2直接接在运放OPA627 的反相端， 而被其输入端所虚短。若取两根1m长，每根电容量约为100pF的电缆，与Cs1 、Cs2对Cx 的测量准确度无影响。也就是说， 寄生电容对测量准确度无影响。

　　2.3 相敏解调器

　　图5 给出全波相敏解调器示意电路。主要由一个CMOS 模拟开关集成块（DG201A） 及一个1∶1隔离变压器构成。模拟开关的触发信号， 就是信号发生器输出的标准方波（另一路输出正弦波） 。模拟开关的作用， 实际上就是对输入信号乘以±1 。

　　解调器的正弦波输入信号与方波信号同频率、同相位。设在输入信号的第一个半波， 模拟开关1 、3 闭合， 2 、4 断开， 使A 端接地， 负载电压为- U （U为正弦波输入信号有效值）；在输入信号的下一个半波， 模拟开关1 、3 断开， 2 、4 闭合，使B 端接地， 负载电压为U 。

　　3 测量电路主要性能指标

　　该测量电路的基本特点是性能优良、价格低廉、应用范围广。主要指标为： ①测量范围：10-6～102pF。②灵敏度：2136V/pF。③准确度：1.8 ×10-3 。④平均方差： 415×10-5pF。⑤分辨率：315×10-5pF。⑥稳定度：412×10-5pF/h 。⑦线性度：0.999 。

　　为消除温度、湿度以及寄生电容的影响，保证达到上述性能指标，仍应采取常规的恒温、防潮、屏蔽和接地等措施。必要时，还要采取双屏蔽达到等电位传输技术。