無(wú)源元件并非真的“無(wú)源”：第1部分——電容

　　引言

　　有源元件和無(wú)源元件——在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域真的是非白即黑嗎？

　　晶體管和集成電路由于利用來(lái)自電源的能量改變信號(hào)，所以被認(rèn)為是有源元件?；谶@個(gè)依據(jù)，我們將電容、電阻、電感、連接器，甚至是印刷電路板（PCB）稱(chēng)為無(wú)源元件，因?yàn)樗鼈兛雌饋?lái)不耗電。然而，由于無(wú)源元件均具有寄生參數(shù)，它們實(shí)際上也會(huì)以不可預(yù)知的方式改變信號(hào)。所以，許多所謂的無(wú)源元件并非真的“無(wú)源”。本文分為3部分，這里為第1部分，專(zhuān)注于討論電容的有源特性。

　　并非完全無(wú)源的電容

　　無(wú)源可定義為惰性和/或不活躍，但無(wú)源電子元件會(huì)以不可預(yù)知的方式成為有源電路的一部分。所以，純?nèi)菪噪娙輰?shí)際上是不存在的。所有電容在本質(zhì)上都存在一定的寄生成分（圖1）。

　　圖1. 電容（C）及其最大的寄生元件。

　　我們進(jìn)一步觀察圖1所示寄生元件。標(biāo)有“C”的電容是我們的考察對(duì)象，其它所有元件則是不希望存在的寄生元件1。并聯(lián)電阻RL引起泄漏，從而改變有源電路的偏置電壓、濾波器的Q因子，并影響采樣-保持電路的保持能力2。等效串聯(lián)電阻（ESR）則會(huì)降低電容抑制紋波和通過(guò)高頻信號(hào)的能力，因?yàn)榈刃Т?lián)電感（ESL）形成諧振電路（即自諧電路）。這意味著，在自諧頻率以上時(shí)，電容呈現(xiàn)為電感，不再具備電源與地之間的高頻噪聲去耦作用。電容介質(zhì)可能是壓電介質(zhì)，增加振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲 （AC），就好像電容C內(nèi)部嵌入了電池（未繪出）。冷焊應(yīng)力造成的壓電效應(yīng)可以改變電容值。壓電電解電容也具有等效的串聯(lián)寄生二極管（未繪出），這些二極管會(huì)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行整流，改變偏置或增大信號(hào)失真。

　　較小的電池SB1至SB4表示塞貝克（Seebeck）結(jié)3，是由不同金屬（寄生熱電偶）在此形成的電壓源。當(dāng)我們連接測(cè)試設(shè)備時(shí)，需要考慮共用連接器的塞貝克效應(yīng)。Jim Williams在參考文獻(xiàn)4中指出，BNC和橡膠插頭連接器對(duì)的熱電勢(shì)范圍為0.07μV/°C至1.7μV/°C （附錄J，圖J5）。這一變化只適合我們?nèi)粘Ｔ趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)部的簡(jiǎn)單連接。將看起來(lái)較小的失調(diào)增益乘以1000，就達(dá)到1.7mV——這是我們尚未實(shí)際開(kāi)始操作就存在的。

　　SB2和SB3可能是電容內(nèi)部連接引線的箔，或連接至焊盤(pán)或表貼元件焊料的金屬化物。SB1和SB4表示器件通過(guò)焊料到PCB銅線的結(jié)。以往的焊料是63%的鉛和37%的錫，但現(xiàn)在使用的符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛焊料成分變化很大，會(huì)影響電容附近的電壓，所以必須查詢合金成分。

　　可對(duì)介質(zhì)吸收（DA）或Bob Pease所稱(chēng)的“滲透”進(jìn)行建模，等效為無(wú)數(shù)個(gè)RC時(shí)間常數(shù)：DA1至DAINFINITY，其中每個(gè)時(shí)間常數(shù)由電阻RDA和電容CDA組成。Bob Pease列舉了一些“滲透”非常重要的實(shí)例，本文附錄中介紹了一段關(guān)于吸收的有趣經(jīng)歷。

　　“如果您關(guān)閉彩色電視機(jī)，然后打開(kāi)后蓋，那么在您開(kāi)始操作之前首先必須要做的是什么？在螺絲刀上連接一條地線，然后接觸高壓插頭上的橡膠墊圈下方，對(duì)CRT放電。那好，現(xiàn)在電容已經(jīng)放電了，如果讓這一過(guò)程持續(xù)大約10分鐘，那么有多少電壓將“滲透”回顯像管的“電容”？當(dāng)您第二次放電時(shí)，足以造成可見(jiàn)的電弧這就是我所說(shuō)的介質(zhì)吸收5。”

　　由此可見(jiàn)，電容會(huì)隨著作用電壓的改變而改變。然后再加上老化、溫度的影響，以及其它可能造成電容器物理?yè)p壞的眾多因素6，這種簡(jiǎn)單的無(wú)源元件就變得非常復(fù)雜。

　　現(xiàn)在，我們應(yīng)該討論一下與自激有關(guān)的因素，這是去耦電容以及接地不良的電容最常見(jiàn)的問(wèn)題。如果接地不良，任何電容都不能正常工作。電容自激主要受圖1所示ESL的影響，當(dāng)然，PCB過(guò)孔也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。工作在射頻頻段時(shí)，這些過(guò)孔將影響小電容的自激點(diǎn)。以圖2為例，討論了1μF電容的曲線。

　　圖2. 三個(gè)電容的自激頻率（曲線的最低點(diǎn)），圖示表明，電容的性能并不完全一致。在左側(cè)，當(dāng)曲線（阻抗）向下移動(dòng)時(shí)，電容表現(xiàn)為電容。當(dāng)達(dá)到其最低點(diǎn)時(shí)，電容呈現(xiàn)為電感（ESL），不再是有效的去耦電容。

　　1μF曲線在4.6MHz時(shí)達(dá)到最小，高于該頻率時(shí)，ESL占支配地位，電容的工作特性表現(xiàn)為電感。由此，去耦電容在高頻下稱(chēng)為一個(gè)雙向?qū)w：對(duì)于電源總線上的高頻信號(hào)而言，電源線與地短接，反之亦然。電容模糊了電源和地之間的差異。

　　隨著對(duì)信號(hào)頻率和電容的深入考察，我們可能忘記了所產(chǎn)生的諧波或邊帶。例如，一個(gè)50MHz方波的SPI時(shí)鐘，具有無(wú)限次的奇次諧波。大多數(shù)系統(tǒng)（并非所有系統(tǒng)）會(huì)忽略5次以上的諧波，因?yàn)檫@些諧波的能量已經(jīng)非常低，在噪底以下。如果諧波在半導(dǎo)體器件中經(jīng)過(guò)整流，仍可造成負(fù)面的影響，因?yàn)樗鼈儠?huì)轉(zhuǎn)換成新的低頻干擾。