電容配對精度輕松達ppm級！手把手教你低成本搞定精密匹配
發布日期:2025-12-24
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精密匹配電容對在市面上都可以很輕松買到，但其值域、工作電壓和介質材料的選擇范圍有限。
此外，有時一些對精度要求極高(或預算非常緊張)的關鍵應用可能需要一些(或很多)DIY的組件。例如，請參閱“
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化繁瑣的組件配對查找工作，讓原本令人頭疼的組件配對查找變得更加快捷輕松。更重要的是，它無需昂貴的精密參考元件即可實現精準匹配(精度可達ppm級)。
具體的運作方式如下。
圖1：觸發器U2b產生被測電容器A和B的互補激勵。
對被測電容器A和B進行互補(大小相等、方向相反)激勵意味著，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C3、C5、C4和Cab(從試驗批次中隨機選擇的電容器)的容量相等(例如，均為0.68µF)時，每1%的失配將產生50mV的積分輸出信號。該信號經U1b同步整流后，然后由U1c和A1反饋回路進行積分和緩沖。
如果Ca>Cb，則“A>B”輸出極性相對于“B>A”為正。反之亦然：如果Cb>Ca，則“A>B”輸出極性相對于“B>A”為負。
匹配測量的精度取決于數字電壓表(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(這是標準3¾位數字萬用表的典型值，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節點，紅色波形為U2引腳6。頻率為0.1mHz/C3。
需要注意的是，U1aU2a時鐘的頻率精度和穩定性有些令人懷疑(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定的時鐘。匹配精度也不依賴于D2b互補輸出的輸出阻抗，甚至不依賴于它們的對稱性！
這兩種不敏感性都源于這樣一個事實：匹配精度的基礎其實是轉移的電荷，因此電流或電壓值本身影響甚微。
然而，由于某些電介質對溫度敏感，最好戴上隔熱手套來操作測試器件。這樣可以節省等待器件達到平衡的時間和精力，避免因溫度波動導致的誤差，以及由此引發的測試失敗。當然，這些錯誤的結果本身也令人沮喪！
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