如何测量随偏压变化的MLCC电容

设计人员往往忽略高容量、多层陶瓷电容(MLCC)随其直流电压变化的特性。所有高介电常数或II类电容(B/X5R R/X7R和F/Y5V特性)都存在这种现象。然而，不同类型的MLCC变化量区别很大。Mark Fortunato曾经写过一篇关于该主题的文章，给出的结论是：您应该核对电容的数据资料，确认电容值随偏压的变化。但如果数据资料中未提供这一信息又该如何呢？您如何确定电容在具体应用条件下变小了多少？

对电容与偏压关系进行特征分析的理论

图1所示为一种测量直流偏压特性的电路。该电路的核心是运算放大器U1(MAX4130)。运放作为比较器使用，反馈电阻R2和R3增加滞回。D1将偏置设置在高于GND，所以不需要负电源电压。C1和R1从反馈网络连接至输入负端，使电路作为RC振荡器工作。电容C1为被测对象(DUT)，作为RC振荡器中的C；电位计R1为RC振荡器中的R。

图1：对电容与偏压关系进行特征分析的电路

运放输出引脚的电压波形Vy以及R、C之间连接点的电压Vx如图2所示。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，强制输出为0V；此时，电容放电，直到Vx达到下限，从而强制输出恢复为5V。该过程反复发生，形成稳定振荡。

图2: VX和VY的振荡电压

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固定不变，所以T1、T2与RC成比例(通常称为RC时间常数)。比较器门限是Vy、R2、R3及D1正向偏压(Vsub>Diode)的函数：

式中，VUP为Vy= 5V时的门限，VLO为Vy = 0V时的门限。给定参数后，这些门限的结果大约为：VLO为0.55V，VUP为1.00V。

Q1和Q2周围的电路将周期时间转换为比例电压。工作原理如下。MOSFET Q1由U1的输出控制。T1期间，Q1导通，将C3电压箝位至GND；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增大，C3电压升高。图3所示为三个周期的C3电压。

图3：T1期间，C3箝位至GND；T2期间，对其进行线性充电

C3电压(VC3)平均值等于：