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    一文讀懂:寄生電容

    發(fā)布時(shí)間:2019-10-08 責(zé)任編輯:wenwei

    【導(dǎo)讀】X9C102,X9C103,X9C104是美國Xicor公司的高精度數(shù)字電位器,電位器的阻值和型號(hào)的后綴數(shù)字相同,分別是1k(102), 10k(103),100k(104)等。
     
    一文讀懂:寄生電容
    X9C104最小應(yīng)用板外形
     
    這類器件具有數(shù)字設(shè)置以及掉電保存設(shè)置的功能,可以替代一般的電位器對(duì)模擬電路的一些參數(shù)進(jìn)行修改,使得電路能夠的一些參數(shù)能夠比較容易進(jìn)行修改。
     
    一文讀懂:寄生電容
    X9C104的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)
     
    如果使用X9CXXX系列的電位器處理直流或者低頻交流信號(hào),它的精度和線性特性還是非常好的。
     
    下圖顯示了對(duì)于X9C104的一百個(gè)中間抽頭位置所對(duì)應(yīng)的電阻測(cè)量值繪制的曲線,看可以看出電位器的精度還是非常高的。
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于X9C104中間抽頭對(duì)電阻測(cè)量值
     
    使用X9C104對(duì)于直流電壓或者低頻交流信號(hào)進(jìn)行分壓,分壓輸出與X9C104的中間抽頭的位置之間也具有非常好的線性性質(zhì)。
     
    下圖顯示了對(duì)于10Hz低頻交流信號(hào)進(jìn)行分壓輸出的效果,即輸出信號(hào)隨著電位器中間抽頭位置變化而基本上線性增加。
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于10Hz低頻信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    但是,如果信號(hào)的頻率繼續(xù)增加,數(shù)字電位器的分壓比就與電位器中間抽頭的位置的關(guān)系就逐漸不是線性關(guān)系了。
     
    下圖顯示了頻率為20Hz的時(shí)候,輸出信號(hào)的幅值與電位器中間抽頭位置之間的關(guān)系:
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于20Hz低頻信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    輸出電壓與中間抽頭位置之間就不再是線性變化,反映了數(shù)字電位器的分壓比與中間抽頭位置關(guān)系也發(fā)生了變化。
     
    上面特性顯示了數(shù)字電位器與實(shí)際機(jī)械電位器之間的區(qū)別。
     
    如果繼續(xù)增加信號(hào)的頻率,這種非線性就會(huì)變得越來也明顯。下面分表顯示了頻率為50,100, 200,1000,2000,5000,10000等不同頻率下,實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果。
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于50.18Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于100.2Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于200.8Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于505.3Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于1000.4Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于2000.2Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于5004.7Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    一文讀懂:寄生電容
    對(duì)于10047Hz信號(hào)的分壓輸出與抽頭位置之間的關(guān)系
     
    從上面測(cè)量不同頻率下數(shù)字電位器分壓效果來看,頻率越高,輸出分壓比與電位器活動(dòng)端位置之間就越發(fā)呈現(xiàn)非線性。
     
    仔細(xì)觀察輸入輸出之間的波形也會(huì)看到它們之間存在著相位差。這說明,數(shù)字電位器中除了電阻之外,還存在著比較多的寄生電容,它們影響了X9C104器件在高頻下的性能。
     
    一文讀懂:寄生電容
     
    下面是將上面不同頻率下的分壓比與電位器活動(dòng)端位置之間的關(guān)系繪制在同一張圖表中。
     
    一文讀懂:寄生電容
     
    不同頻率下數(shù)字電位器的分壓比與電位器活動(dòng)端位置之間的關(guān)系
     
    為了分析這些寄生電容對(duì)于X9C104的影響,下面假設(shè)器件的活動(dòng)端對(duì)地和電源之間分別具有寄生電容C1,C2,具體結(jié)構(gòu)如下圖所示:
     
    一文讀懂:寄生電容
    數(shù)字電位器中的寄生電容簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)
     
    為了分析方便,這里假設(shè)寄生電容C1,C2是固定值,與活動(dòng)端的位置沒有關(guān)系。
     
    在此情況下,可以得出對(duì)不同頻率下,輸入輸出之間的關(guān)系表達(dá)式:
     
    一文讀懂:寄生電容
    數(shù)字電位器等效電路輸入輸出之間的表達(dá)式
     
    上面公式中r表示電位器的分壓比,因此r*R代表中間抽頭到地之間的電阻值。符號(hào)//表示并聯(lián)關(guān)系,從而簡(jiǎn)化了表達(dá)式的書寫。
     
    上面的電容參數(shù)可以使用手持RLC表進(jìn)行測(cè)量。如下是測(cè)到的一組測(cè)量近似關(guān)系:
     
    一文讀懂:寄生電容
     
    使用上述參數(shù),假設(shè)所使用的輸入電壓UI=2.2V,可以計(jì)算出輸出電壓在頻率分別是10,20,50,100,200,500,1000,2000,5000,10000Hz下的電壓曲線,對(duì)比前面測(cè)量的結(jié)果,可以看出它們之間是非常接近的。這說明上面假設(shè)的寄生電容電路具有很大的合理性。
     
    一文讀懂:寄生電容
    使用前面假設(shè)的寄生電容參數(shù),繪制的輸出電壓與分壓比r之間的曲線
     
    如果數(shù)字電位器應(yīng)用在交流信號(hào)電路中,則需要考慮到寄生電容對(duì)于電路的影響。
     
    為了降低寄生電容的影響,除了考慮電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電路的工作頻率之外,也可以使用X9C102這類總阻值小的電位器,這可以降低寄生電容對(duì)于電路阻抗的影響。
     
    作者:卓晴,來源:TsinghuaJoking
     
     
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