微小電容測量方法介紹

充/放電電容測量電路基本原理如圖1所示。



由CMOS開關S1，將未知電容Cx充電至Ve，再由第二個CMOS開關S2放電至電荷檢測器。在一個信號充/放電周期內從Cx傳輸到檢波器的電荷量Q=Ve·Cx，在時鐘脈沖控制下，充/放電過程以頻率f=1/T重復進行，因而平均電流Im=Ve·Cx·f，該電流被轉換成電壓并被平滑，最后給出一個直流輸出電壓 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf為檢波器的反饋電阻) 。

充/放電電容測量電路典型的例子為差動式直流充放電C/V轉換電路，如圖2所示。



Cs1和Cs2分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容(通過分析可知，它們不影響電容Cx的測量)。S1-S4是CMOS開關，S1和S3同步，S2和S3同步，它們的通斷受頻率f的時鐘信號控制，每個工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為

Vo=2KRfVeCxf (1)

式中，K為差分放大器D3的放大倍數。

該電路的主要優點是能有效地抑制雜散電容，而且電路結構簡單，成本很低，經過軟件補償后電路穩定性較高，獲取數據速度快。缺點是電路采用的是直流放大，存在較大的漂移；另外，充/放電是由CMOS開關控制，所以存在電荷注入問題。目前該電路已成功應用于6、8、12電極的ECT系統中。其典型分辯率可達3*10-15F。

2 AC電橋電容測量電路

AC電橋電容測量電路如圖3所示，其原理是將被測電容在一個橋臂，可調的參考阻抗放在相鄰的一個橋臂，二橋臂分別接到頻率相同/幅值相同的信號源上，調節參考阻抗使橋路平衡，則被測橋臂中的阻抗與參與阻抗共軛相等。這種電路的主要優點是：精度高，適合作精密電容測量，可以做到高信噪比。



圖3電路的缺點是無自動平衡措施，為此可采用圖4所示的自動平衡AC電橋電容測量電路。



該系統輸出Vd為一直流信號，ΔC為傳感器的電容變化量。



式中，2/π為相敏因子。

結合平衡條件，在理論上輸出Vd可寫成



獲得該電橋的自動平衡過程的步驟為：保證電橋未加載時ΔC=0，測量電橋非平衡值并利用公式(3)計算出電橋輸出為零時所需的反饋信號Ve的值。重新測量橋路的輸出，若輸出為零，則橋路平衡；若輸出不為零，重復上述測量步驟，直至橋路輸出為零，即橋路平衡為止。該電橋電容測量電路原理上沒有考慮消除雜散電容影響的問題，為此采取屏蔽電纜等復雜措施，而且其效果也不一定理想。通過實驗測得其線性誤差能達到±1*10-13F。

3 交流鎖相放大電容測量電路

交流型的C/V轉換電路基本原理如圖5所示。



正弦信號Ui(t)對被測電容進行激勵，激勵電流流經由反饋電阻Rf、反饋電容Cf，和運放組成的檢測器D轉換成交流電壓 Uo(t)：



若jωRfCf>>1，則(4)式為



式(5)表明，輸出電壓值正比于被測電容值。為了能直接反映被測電容的變化量，目前常用的是帶負反饋回路的C/V轉換電路。這種電路的特點是抗雜散性、分辨率可高達0.4*10-15F。