如何测量随偏压变化的MLCC电容？

对电容与偏压关系进行特征分析的理论

图1展示了一种测量直流偏压特性的电路。该电路的核心元件是运算放大器U1（MAX4130）。运放在该电路中作为比较器使用，通过反馈电阻R2和R3实现滞回效应。为了实现正向偏压，D1被偏置到高于地线（GND），因此不需要负电源电压。C1和R1与反馈网络相连，使得电路可以作为RC振荡器工作。其中，电容C1是被测对象（DUT），在RC振荡器中起到电容的作用；而电位计R1则是RC振荡器中的电阻。

图2展示了运放输出引脚的电压波形Vy以及R、C连接点的电压Vx。当运放输出为5V时，通过R1对C1进行充电，直到电压达到上限，从而强制输出为0V；此时，电容开始放电，直到Vx达到下限，使得输出恢复为5V。该过程不断重复，形成稳定的振荡。

振荡周期取决于R、C以及上门限VUP和下门限VLO

由于5V、VUP和VLO保持不变，因此T1和T2与RC成比例（通常称为RC时间常数）。比较器的门限由Vy、R2、R3和D1的正向偏压（Vsub>Diode）决定。

公式中，VUP表示Vy=5V时的门限，VLO表示Vy=0V时的门限。给定参数后，这些门限的典型值为：VLO约为0.55V，VUP约为1.00V。

路中的Q1和Q2将周期时间转换为比例电压。其工作原理如下：MOSFET Q1由U1的输出控制。在T1期间，Q1导通，将C3的电压钳位至地线（GND）；在T2期间，Q1关断，允许恒定电流源（Q2、R5、R6和R7）对C3进行线性充电。随着T2的增加，C3的电压也会升高。图3显示了C3电压的三个周期。

C3电压(VC3)平均值等于：

由于I、C3、α和β均为常数，因此C3的平均电压与T2成比例，从而与C1成比例。

低通滤波器R8/C4对信号进行滤波，低失调运放U2（MAX9620）用于输出缓冲，从而可以使用任何电压表进行测量。在进行测量之前，需要对该电路进行简单的校准。首先将DUT安装到电路中，将VBIAS设置为0.78V（VLO和VUP的平均值），从而使得DUT上的实际平均（DC）电压为0V。通过调节电位计R1，输出电压会相应变化。调节R1，直到输出电压读数为1.00V。在此条件下，C3的峰值电压约为2.35V。可以改变偏置电压，输出电压将显示电容值的变化百分比。例如，如果输出电压为0.80V，则在特定偏置电压下，电容值为偏置为0V时的80%。

可以在一个小型PCB上搭建图1中的电路。首先使用一个10μF的电容进行测量。图4和图5分别展示了在0V和5V偏压条件下的信号。

Ch1 = Vx；Ch2 = Vy；Ch3 = VC3。调节R1，使电压表读数为1.000V。

由于电容值减小，振荡周期已经明显缩短。Ch1 = Vx；Ch2 = Vy；Ch3 = VC3。电压表读数为0.671V。

在0V偏压下，通过调节电位计R1，使得电压表读数为1.000V。在5V偏压下，电压表读数为0.671V，说明电容值为原始值的67.1%。利用高精度计数器，还可以测得总周期T。在0V偏压下，T约为4933μs，在5V偏压下为3278μs，说明电容值为原始值的66.5%（即3278μs/4933μs）。这些结果非常一致，证明电路设计可以高精度地测量电容值随偏压变化的关系。

现在进行第二项测量，从Murata提供的样本中选取2.2μF/16V电容（型号为GRM188R61C225KE15）。在此次测量中，记录了电容值在0V至16V的整个工作范围内的变化。通过测量电路的输出电压和实际振荡周期，可以确定相对电容。此外，使用Murata Simsurfing工具采集了数据，该工具根据Murata的测量值提供了具体器件的直流偏压特性。图6展示了结果。两条测量数据曲线几乎完全相同，证明时间-电压转换电路在较大动态范围内的工作良好。尽管Murata Simsurfing工具提供的数据与我们的测量结果存在一定差异，但曲线的形状相似。

电容值被标准化至0V偏压下的电容值。蓝色曲线基于电路输出电压的测量值；红色曲线基于振荡周期测量值；绿色曲线基于Murata Simsurfing工具提供的特征数据。

综上所述，利用介绍的电路、双电源和电压表，可以轻松测量高电容片式多层陶瓷电容器的直流偏压特性。简单的实验室测试可以证明电容值随偏压的变化关系。

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