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，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，節約測試時間。實現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、較半導體繼電器導通電阻小且較電磁繼電器反應速度快等優點。這些特點使得磁簧繼電器受到各種選擇器模塊的青睞。 圖1：磁簧繼電器閉合(上)與開路(下)及其寄生元件。 磁簧繼電器的結構及等效電路如圖1所示。其非理想性主要源于其導通電阻(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：基于磁簧繼電器的50路多路選擇器。 圖2所示為基于繼電器的多對一選擇器的典型應用電路。 Vcc為線圈偏置電壓，Ctrl n ( n = 1, 2, … , 50) 連于驅動電路(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串聯的電壓源代表被測器件的輸出端，3pf 電容并聯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。 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絡。我們注意到，點A的對地電容是該網絡各節點中最大的：其上有50個1.4pf Cvcc并聯接地。所以，在該網絡的-3dB頻率，點A的對地阻抗應該接近于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 ： 圖3：-3dB頻率下圖2中電路的簡化等效電路。 該簡化網絡的-3dB頻率為： 可見，對于數兆赫以下的中低頻應用場合，基于磁簧繼電器的多路選擇器可近似為理想導線。 高阻測試點應用 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)，該網絡與圖3幾乎一樣，唯一的區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將電流轉為電壓，以供示波器測量。假使繼電器寄生元件參數不變，由于Rload有20KΩ的電阻，該網絡-3dB頻率將降到僅60kHz左右。在實際應用中，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。 圖4：50路選擇器接電流源。圖5：50路選擇器接電流源的等效電路。 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十倍，因而可應用于高阻抗測試點。減少電容不單可以增加帶寬，在被測端接反饋網絡的情況下 (比如運放輸出端)，也可以改善穩定性。此外，小電容也有利于測試輸出端的階躍響應。總之，在選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。經過觀察，我們不難發現點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。 圖6：容性電流通路1。圖7：容性電流通路2。 消除Cgap 首先我們來看圖6。這一通路流經50個并聯的繼電器開路電容Cgap，回到交流地Vbias。50個Cgap并聯，形成了一個較大的電容。 也許你會問，為什么不關閉不用的電流源，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，即便電流源關閉，它還是會有并聯寄生電容。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則會連到驅動電路，驅動電路上還有線圈續流復位二極管。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并聯而有的電容值還是會很大。 因此，我們將保留單刀雙擲的設計。之后我們將看到，這樣的設計將便于實現電容消除電路。 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8：一種消除Cgap的方法。 圖8中，點A的信號經過運放隔離后，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。 圖9：用浮動電源消除Cgap。 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： 圖10：使用電阻消除Cgap的電路。 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，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。 圖11：Vcc 被直流和交流電壓同時驅動。 這樣一來，似乎我們所有的問題都應該解決了。很遺憾，實驗結果表明，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。