电容配对精度轻松达ppm级！手把手教你低成本搞定精密匹配
发布日期:2025-12-24
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精密匹配电容对在市面上都可以很轻松买到，但其值域、工作电压和介质材料的选择范围有限。
此外，有时一些对精度要求极高(或预算非常紧张)的关键应用可能需要一些(或很多)DIY的组件。例如，请参阅“
揭秘：如何用8位元件打造16位DAC？”。
图1所示的匹配电路可以帮助简化繁琐的组件配对查找工作，让原本令人头疼的组件配对查找变得更加快捷轻松。更重要的是，它无需昂贵的精密参考元件即可实现精准匹配(精度可达ppm级)。
具体的运作方式如下。
图1：触发器U2b产生被测电容器A和B的互补激励。
对被测电容器A和B进行互补(大小相等、方向相反)激励意味着，如果Ca=Cb，则通过的电荷将完全抵消，输出端为零。然而，如果它们不同，则当C3、C5、C4和Cab(从试验批次中随机选择的电容器)的容量相等(例如，均为0.68µF)时，每1%的失配将产生50mV的积分输出信号。该信号经U1b同步整流后，然后由U1c和A1反馈回路进行积分和缓冲。
如果Ca>Cb，则“A>B”输出极性相对于“B>A”为正。反之亦然：如果Cb>Ca，则“A>B”输出极性相对于“B>A”为负。
匹配测量的精度取决于数字电压表(DVM)的电压分辨率。如果分辨率为1mV，则可以匹配到±1/50%，即±0.02%。如果分辨率为100µV(这是标准3¾位数字万用表的典型值，量程为300mV)，则可以匹配到±0.002%，即±20ppm。以此类推……
测量增益与C4成反比。因此，如果需要更高的分辨率，只需降低C4即可获得增益。
图2：U1aU2a多谐振荡器波形；绿色波形为R3R4节点，红色波形为U2引脚6。频率为0.1mHz/C3。
需要注意的是，U1aU2a时钟的频率精度和稳定性有些令人怀疑(即使我们尽量往好的方面想)。值得庆幸的是，最终Ca/Cb匹配的精度并不依赖于稳定的时钟。匹配精度也不依赖于D2b互补输出的输出阻抗，甚至不依赖于它们的对称性！
这两种不敏感性都源于这样一个事实：匹配精度的基础其实是转移的电荷，因此电流或电压值本身影响甚微。
然而，由于某些电介质对温度敏感，最好戴上隔热手套来操作测试器件。这样可以节省等待器件达到平衡的时间和精力，避免因温度波动导致的误差，以及由此引发的测试失败。当然，这些错误的结果本身也令人沮丧！
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