電容配對(duì)精度輕松達(dá)ppm級(jí)！手把手教你低成本搞定精密匹配
發(fā)布日期:2025-12-24
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精密匹配電容對(duì)在市面上都可以很輕松買到，但其值域、工作電壓和介質(zhì)材料的選擇范圍有限。
此外，有時(shí)一些對(duì)精度要求極高(或預(yù)算非常緊張)的關(guān)鍵應(yīng)用可能需要一些(或很多)DIY的組件。例如，請(qǐng)參閱“
揭秘：如何用8位元件打造16位DAC？”。
圖1所示的匹配電路可以幫助簡(jiǎn)化繁瑣的組件配對(duì)查找工作，讓原本令人頭疼的組件配對(duì)查找變得更加快捷輕松。更重要的是，它無(wú)需昂貴的精密參考元件即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配(精度可達(dá)ppm級(jí))。
具體的運(yùn)作方式如下。
圖1：觸發(fā)器U2b產(chǎn)生被測(cè)電容器A和B的互補(bǔ)激勵(lì)。
對(duì)被測(cè)電容器A和B進(jìn)行互補(bǔ)(大小相等、方向相反)激勵(lì)意味著，如果Ca=Cb，則通過的電荷將完全抵消，輸出端為零。然而，如果它們不同，則當(dāng)C3、C5、C4和Cab(從試驗(yàn)批次中隨機(jī)選擇的電容器)的容量相等(例如，均為0.68µF)時(shí)，每1%的失配將產(chǎn)生50mV的積分輸出信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)U1b同步整流后，然后由U1c和A1反饋回路進(jìn)行積分和緩沖。
如果Ca>Cb，則“A>B”輸出極性相對(duì)于“B>A”為正。反之亦然：如果Cb>Ca，則“A>B”輸出極性相對(duì)于“B>A”為負(fù)。
匹配測(cè)量的精度取決于數(shù)字電壓表(DVM)的電壓分辨率。如果分辨率為1mV，則可以匹配到±1/50%，即±0.02%。如果分辨率為100µV(這是標(biāo)準(zhǔn)3¾位數(shù)字萬(wàn)用表的典型值，量程為300mV)，則可以匹配到±0.002%，即±20ppm。以此類推……
測(cè)量增益與C4成反比。因此，如果需要更高的分辨率，只需降低C4即可獲得增益。
圖2：U1aU2a多諧振蕩器波形；綠色波形為R3R4節(jié)點(diǎn)，紅色波形為U2引腳6。頻率為0.1mHz/C3。
需要注意的是，U1aU2a時(shí)鐘的頻率精度和穩(wěn)定性有些令人懷疑(即使我們盡量往好的方面想)。值得慶幸的是，最終Ca/Cb匹配的精度并不依賴于穩(wěn)定的時(shí)鐘。匹配精度也不依賴于D2b互補(bǔ)輸出的輸出阻抗，甚至不依賴于它們的對(duì)稱性！
這兩種不敏感性都源于這樣一個(gè)事實(shí)：匹配精度的基礎(chǔ)其實(shí)是轉(zhuǎn)移的電荷，因此電流或電壓值本身影響甚微。
然而，由于某些電介質(zhì)對(duì)溫度敏感，最好戴上隔熱手套來(lái)操作測(cè)試器件。這樣可以節(jié)省等待器件達(dá)到平衡的時(shí)間和精力，避免因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的誤差，以及由此引發(fā)的測(cè)試失敗。當(dāng)然，這些錯(cuò)誤的結(jié)果本身也令人沮喪！
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