無源器件并不是那么無源：電容器

晶體管和集成電路等有源元件利用來自電源的能量改變信號(hào)。相反，電阻器、電容器、電感器和連接器等無源元件不消耗功率——或者我們喜歡這樣假設(shè)。然而，無源元件實(shí)際上可以而且確實(shí)以意想不到的方式改變信號(hào)，因?yàn)樗鼈兌及纳?。本?yīng)用筆記是本系列文章的第一篇，討論寄生電容。

介紹

有源元件和無源元件——工程設(shè)計(jì)真的是非黑即白的嗎？

晶體管和集成電路被認(rèn)為是有源元件，因?yàn)樗鼈兝脕碜噪娫吹哪芰扛淖冃盘?hào)。同時(shí)，我們將電容器、電阻器、電感器、連接器甚至 PC 板 （PCB） 等組件稱為無源元件，因?yàn)樗鼈兯坪醪幌墓β省Ｈ欢?，這些明顯的無源元件可以并且確實(shí)以意想不到的方式改變信號(hào)，因?yàn)樗鼈兌及纳糠?。因此，事?shí)上，許多所謂的無源組件并不是那么被動(dòng)。本應(yīng)用筆記（無源器件系列三部分第1部分）將探討電容器的有源作用。

不那么無源的電容器

被動(dòng)可以定義為惰性和/或非主動(dòng)。但無源電子元件可能會(huì)以意想不到的方式成為電路的有源部分。因此，根本不存在純電容電容器。所有電容器本質(zhì)上都有寄生元件（圖 1）。

圖1.電容器（C）及其最大的寄生元件。

讓我們仔細(xì)看看圖1中的有源寄生元件。標(biāo)有“C”的電容器是我們希望看到的一件事;其余所有組件都是不需要的寄生效應(yīng)。1并聯(lián)電阻，RL，會(huì)導(dǎo)致直流泄漏，從而改變有源電路的偏置電壓，破壞濾波器中的Q因數(shù)，并破壞采樣保持電路的保持能力。2等效串聯(lián)電阻（ESR）降低了電容器減少紋波和傳遞高頻信號(hào)的能力，因?yàn)榈刃Т?lián)電感（ESL）會(huì)產(chǎn)生調(diào)諧電路（即具有自諧振的電路）。這意味著在自諧振頻率以上，電容器看起來是感性的，并且不能再將高頻噪聲從電源解耦到地。電介質(zhì)可以是壓電的，增加振動(dòng)（AC）產(chǎn)生的噪聲，這看起來像C電容器內(nèi)的電池（未繪制）。冷卻焊料應(yīng)力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)會(huì)改變電容器的值。極化電解電容器也可以串聯(lián)寄生二極管（未繪制），這些二極管可以整流高頻信號(hào)并改變偏置或增加不必要的失真。

小型電池SB1通過SB4指示塞貝克交匯點(diǎn)3其中不同的金屬（寄生熱電偶）產(chǎn)生電壓源。當(dāng)我們連接測(cè)試設(shè)備時(shí)，我們需要考慮普通連接器的塞貝克效應(yīng)。附錄J，Jim Williams應(yīng)用筆記中的圖J54結(jié)果表明，成對(duì)的BNC和香蕉連接器的熱電勢(shì)范圍為0.07μV/°C至1.7μV/°C。 這種差異只是為了我們每天在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的簡(jiǎn)單連接。將這個(gè)看似很小的失調(diào)增益乘以一千，我們就得到了1.7mV——這是在我們真正做任何富有成效的事情之前。

某人2和 SB3可能位于電容器內(nèi)部，箔連接到引線，或者金屬化連接到表面貼裝部件中的電鍍或焊料。 SB1和 SB4指示從零件通過焊料到銅PCB走線的結(jié)點(diǎn)。焊料曾經(jīng)是簡(jiǎn)單的63%鉛和37%錫。但是今天人們不得不問合金的含量，因?yàn)闊o鉛RoHS焊料可能會(huì)有很大差異并影響電容器周圍的電壓。

介電吸收，DA，或Bob Pease所說的“浸泡”，可以建模為無限數(shù)量的不同RC時(shí)間常數(shù)，DA1通過 DA無限.這些時(shí)間常數(shù)中的每一個(gè)都由一個(gè)電阻R組成大和電容器 C大.鮑勃·皮斯（Bob Pease）為我們提供了一些實(shí)際的例子，說明“浸泡”何時(shí)重要，我記得附錄中關(guān)于浸泡的有趣經(jīng)歷。

“好吧，如果你關(guān)掉彩電并打開背面，在你開始工作之前，你必須做的第一件事是什么？將接地帶放在螺絲刀上，然后伸到高壓插頭上的橡膠護(hù)罩下方以排出 CRT。好了，既然電容已經(jīng)放電了，如果讓它靜置10分鐘左右，多少電壓會(huì)“浸泡”回顯像管的“電容”中？當(dāng)你第二次放電時(shí)，足以形成一個(gè)可見的弧線......這就是我所說的介電吸收。5

因此，電容器可以隨著施加的電壓而改變電容。然后加上典型的老化、溫度依賴性以及電容器可能受到物理?yè)p壞的多種方式，6而這個(gè)簡(jiǎn)單的無源元件變得更加復(fù)雜。

現(xiàn)在我們應(yīng)該談?wù)勛灾C振，這是去耦電容和接地不良最常見的電容問題。如果接地較差，則沒有電容器可以完成其工作。電容自諧振主要由圖1所示的ESL效應(yīng)決定。但也不要低估PCB過孔的影響.在無線電頻率下，這些過孔會(huì)影響小電容器的自諧振點(diǎn)。檢查圖2并專注于1μF曲線。

圖2.三個(gè)電容器的自諧振（圖表上的最低點(diǎn)）。圖表顯示，電容器的性能并不完全相同。在左側(cè)，當(dāng)走線（阻抗）向下移動(dòng)時(shí)，電容器充當(dāng)電容器。但是，當(dāng)它們達(dá)到最低點(diǎn)并向上啟動(dòng)時(shí)，它們會(huì)成為電感器（ESL），不再有效地作為去耦電容器。

1μF走線的最小頻率為4.6MHz。高于該頻率，ESL占主導(dǎo)地位，電容器像電感器一樣工作。這告訴我們，去耦電容是高頻的雙向?qū)Ч埽弘娫纯偩€上的高頻與地共享，反之亦然。電容器均勻化電源和接地之間的差異。

更多地考慮信號(hào)頻率和電容器，我們可能會(huì)忘記我們產(chǎn)生的諧波或邊帶。例如，一個(gè)真正的50MHz方波SPI時(shí)鐘將具有無窮大的奇次諧波。大多數(shù)系統(tǒng)（但并非所有系統(tǒng)）都可以忽略五次諧波以上的諧波，因?yàn)槟芰刻?，低于本底噪聲。但是，如果諧波在半導(dǎo)體中被整流并可能轉(zhuǎn)化為新的低頻干擾，它們?nèi)匀粫?huì)引起問題。

操縱制造公差

圖2顯示，并非所有電容都是平等的。一般來說，高質(zhì)量的電容器是相當(dāng)可重復(fù)的，而一些廉價(jià)的電容器可以用較大的制造公差換取更低的成本。一些制造商“裝箱”（圖3）或選擇具有嚴(yán)格容差的電容器，這些電容器將以高價(jià)出售。如果該電容器用于設(shè)置系統(tǒng)中的時(shí)間或頻率，則可能是有害的。

圖3.制造公差的分箱或排序以不同的方式影響電容器性能。

圖3中的實(shí)線（黑色）曲線是良好制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)偏差。雖然我們?cè)?a target="_blank">Maxim Integrated的應(yīng)用筆記4301“零晶體管IC，IC設(shè)計(jì)的新平臺(tái)”中用了這張電阻圖，但數(shù)據(jù)同樣適用于電容。隨著制造公差的移動(dòng)，每個(gè)料箱中的零件數(shù)量會(huì)發(fā)生變化。公差可以向右移動(dòng)（綠色虛線），導(dǎo)致在 1% 公差下沒有屈服。它可以是雙峰（灰色虛線），具有許多 5% 和 10% 公差部件以及少量 1% 和 2% 公差部件。

分箱“似乎”確保 2% 公差部分僅從負(fù) 1 到負(fù) 2 和正 1 到正 2（即沒有 1% 的部分）。它還“似乎”從 1% 的箱中移除任何 2% 和 5% 公差零件。我們說“似乎”和“似乎”是因?yàn)殇N量和人性也會(huì)影響這種組合。例如，工廠經(jīng)理可能需要運(yùn)送 5% 容差的電容器，但他沒有足夠的電容器來滿足本月的需求。然而，他確實(shí)有過多的2%公差零件。所以，這個(gè)月他把它們?nèi)舆M(jìn)5%的垃圾箱，然后發(fā)貨。顯然，人為干預(yù)可以而且確實(shí)會(huì)扭曲統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和方法。

這對(duì)我們的無源電容器意味著什么？我們必須明白，我們可能期望的公差，例如±5%，中間可能有一個(gè)±2%的孔。如果電容器控制臨界頻率或時(shí)序，我們需要考慮到這一點(diǎn)。這也可能意味著我們需要計(jì)劃通過校準(zhǔn)來糾正更廣泛的變化。

焊接如何影響被動(dòng)性能

焊接會(huì)在電容器中引入應(yīng)力，尤其是在表面貼裝部件中。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致壓電電壓振動(dòng)，甚至使電容器破裂，使其以后失效。

看到適當(dāng)?shù)幕亓骱附恿钊擞∠笊羁獭Ｈ刍噶系谋砻鎻埩κ沽慵褡兡g(shù)一樣旋轉(zhuǎn)成對(duì)準(zhǔn)。但較差的焊接溫度曲線確實(shí)會(huì)損壞器件。你見過電容器像墓碑一樣豎立在一端嗎？如果焊接溫度斜坡錯(cuò)誤，則可能會(huì)發(fā)生這種情況.始終遵循制造商的焊接輪廓建議。某些組件對(duì)溫度更敏感， 因此電路板組裝可能需要兩個(gè)或多個(gè)具有不同熔化溫度的焊料.電路中的大多數(shù)元件首先用最高熔點(diǎn)焊料焊接，然后在較低溫度下焊接任何“敏感”元件。焊料必須以正確的順序使用，以便那些在工藝早期焊接的部件不會(huì)在以后脫焊。

總結(jié)

當(dāng)我們談到電容器等無源器件時(shí)，我們必須記住，這些設(shè)備都包含可以改變信號(hào)的寄生部分。當(dāng)然，其影響取決于信號(hào)強(qiáng)度。如果我們想測(cè)量微伏，那么一切都很重要：接地（星點(diǎn)）、屏蔽去耦電容器、防護(hù)、布局、塞貝克效應(yīng)、電纜結(jié)構(gòu)和焊接連接器。我們的原理圖通常會(huì)掩蓋這一點(diǎn)，在我們尋找小噪聲或電壓之前，這是可以接受的。

請(qǐng)記住，無源電容器只是一個(gè)組件，實(shí)際上比看起來更有源性。元件寄生效應(yīng)、公差、校準(zhǔn)、溫度、老化，甚至組裝方法和實(shí)踐都會(huì)產(chǎn)生微妙的影響，這些都會(huì)影響器件的性能。知道了這一點(diǎn)，我們需要了解許多電容器可能累積的潛在誤差。在這個(gè)由三部分組成的系列的未來應(yīng)用筆記中，我們將討論其他所謂的無源元件：電阻、電位計(jì)、開關(guān)，以及令人驚訝的低級(jí)PCB。

審核編輯：郭婷