如何消除寄生電容的電路設(shè)計方案

作者： 廖涌，程曦

在被測點阻抗較高時，即使該點僅有較小的電容，其帶寬也會受限。在基于磁簧繼電器的多路選擇器中，由于各磁簧繼電器的寄生電容會在輸出端并聯(lián)，加大了輸出端的電容，使得電路的帶寬變窄。本文介紹了可消除這種寄生電容的電路設(shè)計方案。

多路選擇器是一種能從多路輸入信號中選出一路并將其輸送至輸出端的一種器件。在測試自動化領(lǐng)域，它可以取代人工插拔線路，且能使一臺單輸入儀器自動測量多個信號，從而降低測試成本，節(jié)約測試時間。實現(xiàn)選擇器的一種常用方法是使用磁簧繼電器。磁簧繼電器具有體積小、較半導(dǎo)體繼電器導(dǎo)通電阻小且較電磁繼電器反應(yīng)速度快等優(yōu)點。這些特點使得磁簧繼電器受到各種選擇器模塊的青睞。

磁簧繼電器的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示。其非理想性主要源于其導(dǎo)通電阻(Ron)、兩根干簧管間的開路電容(Cgap)以及干簧管到線圈間的電容(Coil1,2) 。不過這些非理想性在大多數(shù)情況下都是可以忽略的。下面我們用一個例子來說明這一點。

圖2所示為基于繼電器的多對一選擇器的典型應(yīng)用電路。 Vcc為線圈偏置電壓，Ctrl n ( n = 1, 2, … , 50) 連于驅(qū)動電路(圖中略去)。Cvcc和Cctrl 是位于繼電器管腳之間和管腳與線圈之間的等效電容。與100Ω串聯(lián)的電壓源代表被測器件的輸出端，3pf 電容并聯(lián)10MΩ電阻則為等效示波器的典型輸入阻抗。圖中的電路有50路輸入端，第50路輸入端通過繼電器連接于示波器，其它49路則處于開路狀態(tài)。

對于以上電路，輸入電壓的頻率需要多大，才會使得示波器量得的信號明顯有別于實際電壓輸入信號呢？為了計算這個問題，我們首先來簡化一下上面的電路網(wǎng)絡(luò)。我們注意到，點A的對地電容是該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點中最大的：其上有50個1.4pf Cvcc并聯(lián)接地。所以，在該網(wǎng)絡(luò)的-3dB頻率，點A的對地阻抗應(yīng)該接近于100Ω的電壓源輸出電阻。由于繼電器開路電容Cgap遠遠小于點A對地電容，相同頻率下，可近似于開路。這樣，與之串聯(lián)的100Ω電阻也都可以忽略了。同理，Cctrl50也可視為開路。這樣，我們就得到了如下簡化電路 ：

該簡化網(wǎng)絡(luò)的-3dB頻率為：

可見，對于數(shù)兆赫以下的中低頻應(yīng)用場合，基于磁簧繼電器的多路選擇器可近似為理想導(dǎo)線。

高阻測試點應(yīng)用

然而，當被測儀器的輸出阻抗較大時，情況就不同了。我們還是來舉一個例子。如圖4所示 (等效電路見圖5)，該網(wǎng)絡(luò)與圖3幾乎一樣，唯一的區(qū)別是被測器件的輸出由電壓源變成了電流源。為了不讓任何一個電流源開路，這里使用了單刀雙擲型繼電器。Rload將電流轉(zhuǎn)為電壓，以供示波器測量。假使繼電器寄生元件參數(shù)不變，由于Rload有20KΩ的電阻，該網(wǎng)絡(luò)-3dB頻率將降到僅60kHz左右。在實際應(yīng)用中，由于PCB和線路的電容，其-3dB頻率會更低。這樣一來，即使對低頻電路，這樣的多路選擇器也變得不再適合了。

盡管上述分析使用了電流源，但在被測器件是輸出電阻較大的電壓源時也會發(fā)生以上情況。

下面，我們將介紹一種可基本消除點A電容的電路。使用該電路后，上述多路選擇器的頻率可被拓寬數(shù)十倍，因而可應(yīng)用于高阻抗測試點。減少電容不單可以增加帶寬，在被測端接反饋網(wǎng)絡(luò)的情況下 (比如運放輸出端)，也可以改善穩(wěn)定性。此外，小電容也有利于測試輸出端的階躍響應(yīng)?？傊谶x擇器的輸出端減小電容，有明顯的好處。

電容消除電路

我們接下來會介紹若干種方法來減小A點的電容。我們使用電流源電路來說明這些方法，但是這些方法也可用于電壓源電路。

為了思考這一問題，我們首先需要找出這些寄生電容的成因。經(jīng)過觀察，我們不難發(fā)現(xiàn)點A的寄生電容主要有兩個來源。圖6和圖7繪出了容性電流的通路。顯然，解決問題的關(guān)鍵就在于阻斷這兩條容性電流通路。我們接下來就分別研究這兩條通路。

消除Cgap

首先我們來看圖6。這一通路流經(jīng)50個并聯(lián)的繼電器開路電容Cgap，回到交流地Vbias。50個Cgap并聯(lián)，形成了一個較大的電容。

也許你會問，為什么不關(guān)閉不用的電流源，這樣不就不需用單刀雙擲繼電器，而用單刀單擲的就可以了？這樣，Cgap的問題不就不存在了嗎？遺憾的是，事實并非如此。

首先，即便電流源關(guān)閉，它還是會有并聯(lián)寄生電容。該電容可以在高頻將其接地。

其次，即便電流源的輸出電容很小，Cgap還是會連到Cctrl，而Cctrl則會連到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路上還有線圈續(xù)流復(fù)位二極管。這些電路的電容會通過Cctrl接地，而這些電容一般與Cctrl相當，或更大。所以點A由于Cgap并聯(lián)而有的電容值還是會很大。

因此，我們將保留單刀雙擲的設(shè)計。之后我們將看到，這樣的設(shè)計將便于實現(xiàn)電容消除電路。 回到消除Cgap的討論。電容的電流是由電容兩端電壓變化引起的。

既然點A的電壓必須變化，那我們能不能使得電容的另一端不接地(交流地)，而接到與A一齊變化的電位上呢？順著這樣的思路，我們得到了如圖8的電路。

圖8中，點A的信號經(jīng)過運放隔離后，加上一個直流偏置，被回送到Vbias2。右邊的運放輸出為：

Voffset 是直流電壓偏置，其值可正可負，作用是給不使用的電流源一個合適的直流電壓偏置值。

圖8的方法需要兩個運放(除非Voffset為0)。如果Voffset為0，另一運放可直接連到Vbias2。實際上可以省去一個運放，圖9給出了使用一個運放和一個浮動電源的電路。

好在許多常見的實驗室電源都是浮動的：其輸出端由變壓器隔離。比如Keysight E3631A和E3646A，其負極和地之間的電容在我們所討論的應(yīng)用中可以忽略。

圖9雖然省了一個運放，但還是需要有源元件。圖10給出了只需一個電阻就可以達到類似效果的方案，該方案僅在特殊情況下成立，但此特殊情況卻并不罕見：

如果選擇器上的每一個被測器件都相同，并且可以在不被測時同時開啟，那么我們就能使每個被測器件輸出同樣的波形。Rload2的值為：

式中，n是被測器件的總數(shù)，在我們的例子里是50。

I是單個被測器件的輸出電流，In = I (n = 1,2,…50)。

可見，這將使得Cgap兩端的電壓保持不變，從而切斷容性電流的通路，Cgap也就不再影響點A了。

消除Cvcc

研究完消除Cgap的電路，我們再來研究如何消除Cvcc。這一通路主要由許多Cvcc構(gòu)成，最終流回了Vcc——繼電器線圈的直流偏置電壓。有了之前消除Cgap的經(jīng)驗，我們不難得到一個類似的電路。圖11用一個浮動電源來達到消除Cvcc的效果。

這樣一來，似乎我們所有的問題都應(yīng)該解決了。很遺憾，實驗結(jié)果表明，上圖的電路并不能消除所有的Cvcc。何以如此呢？我們需要再仔細觀察一下繼電器線圈的模型。

繼電器線圈雖然被畫成了電感，但實際上卻有較大的直流電阻，大約在100Ω量級。我們已經(jīng)指出，繼電器驅(qū)動電路有較大的電容。簡單起見，我們考慮一種極限情況：驅(qū)動電路的電容很大，以至可以認為線圈的一端直接接在交流地上，那么繼電器管腳和線圈之間的電容就會沿著干簧管分布，如圖12所示。也就是說，只是在Vcc上加上信號并不能抵消所有的管腳和線圈之間的電容。

圖13的電路解決了這一問題(為了簡單起見，圖中略去了續(xù)流二極管)。Vss為點A交流部分的信號加上0直流偏置，這樣繼電器線圈的兩端就都被和點A相同的交流信號驅(qū)動，Cvcc對點A就不再影響。

你也許已經(jīng)注意到了，圖13中驅(qū)動電路的源極不再是地。這樣一來，柵極驅(qū)動電壓還能可靠地打開驅(qū)動電路嗎？的確，圖13中的電路只能在柵極電壓減去源極電壓最大值后依然大于驅(qū)動電路開啟電壓的情況下工作。否則，我們就需要增大柵極電壓，直到足夠為止。

其他注意事項

至此，我們用理想電路模型討論了消除磁簧繼電器寄生電容的電路技巧。然而，實際的電路并不是理想情況。所以，為了使以上電路達到較好的效果，還有許多工程實踐的細節(jié)需要考慮。

繼電器選取

雖然電路可以消除寄生電容，但是我們還是應(yīng)該選取寄生電容較小的繼電器，因為繼電器的電容會成為運放的負載。對于非理想運放，電容負載小，相應(yīng)的相移和幅值損耗也小。這樣，電路消除電容的效果也會更佳。

另外，在圖10 中，等效來說，每路電流源仍需驅(qū)動一個繼電器的Cgap，所以小的寄生電容總是好的。

繼電器的屏蔽層

繼電器屏蔽層是線圈和管腳之間的一層金屬，主要用于屏蔽噪音 (這里指的不是磁屏蔽層) 。大多數(shù)情況下，屏蔽層會接地或交流地。該層會減小管腳之間和管腳到線圈的電容，但是會增加額外的管腳到屏蔽層之間的電容。如果繼電器有屏蔽層，可以用對線圈Vcc一樣的方法處理。

電路板布線

標準PCB FR4 材料有4.1-4.4的介電常數(shù)。如果相鄰兩層有30mm X 30mm、相距10mil(0.254mm)的銅皮，那么它們之間的電容為：

Eo = 8.854x10-12，K = 4.3，A為面積，D為距離。

對于有50個磁簧繼電器的PCB，連接繼電器各管腳的銅線不可避免會占一定面積。所以在這些線下，不要鋪銅，以減少電容。

由此產(chǎn)生的一個副作用是電路的抗噪音能力變差了。所以如果必要，可以在電路外部加裝噪音屏蔽盒。

連接運放輸出端至各繼電器時，扇出(fan-out)和菊花鏈布線法各有千秋。扇出法意味著線路總長度更長，即銅線形成的電容更大。好處是各個繼電器的銅線電容大小類似，消除電容電路對各個繼電器的效果也就更接近。

反之，菊花鏈能使總線最短，使得運放負載電容變小，代價是各個繼電器消除電容的效果參差不齊。 因此我們建議使用混合布線，如圖15所示：

實驗

我們使用圖16的電路制作了一個多路選擇器來測試博通的一款多路電流源產(chǎn)品，該產(chǎn)品電流源DC成分為0。實驗中使用一臺三端Keysight E3631A電源提供運放的電源和Voffset，以驅(qū)動繼電器。

在文中所述的電容消除技術(shù)被使用之前，選擇器實測點A電容約300pf， 改進布線后減至約200pf。Rload2加入后，電容降至約150pf。使用AC+DC驅(qū)動Vcc后，電容繼續(xù)降至約30pf。在繼電器驅(qū)動源極也被驅(qū)動后，點A電容僅余不到10pf。剩余的10pf很可能來自接口和連接線。-3dB頻率增加30余倍。

總結(jié)

在被測點阻抗較高時，即使該點僅有較小的電容，其帶寬也會受限。在基于磁簧繼電器的多路選擇器中，由于各磁簧繼電器的寄生電容會在輸出端并聯(lián)，加大了輸出端的電容，使得電路的帶寬變窄。本文介紹了可消除這種寄生電容的電路設(shè)計方案，使用該方案，如果設(shè)計合理，選擇器的輸出端電容可以降為小于單個磁簧繼電器的寄生電容。該方案的中心思想是使用與被測信號有同樣交流成分的信號，驅(qū)動寄生電容的另一端。這可以通過運放、浮動電壓源、甚至電阻來實現(xiàn)。除了拓寬帶寬，該設(shè)計也可通過降低電容使得被測電路穩(wěn)定性受到更小的影響并更好地測量階躍響應(yīng)。