電容器為什么稱為“非被動”設(shè)備

諸如晶體管和集成電路之類的有源組件會使用來自電源的能量來改變信號。相反，無源組件（如電阻器，電容器，電感器和連接器）不消耗功率，因此我們假設(shè)。但是，無源元件實際上可以并且確實會以意想不到的方式改變信號，因為它們都包含寄生成分。本應(yīng)用筆記是一個三部分系列的第一篇，討論了寄生電容。

引言

電容器是一種眾所周知的無源器件，它可以在電場中存儲能量。它用于電子電路中以阻止直流電并允許交流電通過，使電源的輸出平滑并穩(wěn)定電壓和功率流。由于涉及的應(yīng)用范圍很廣，因此明智的一步是進(jìn)一步了解電容器以及為什么將它們稱為“非被動”設(shè)備。

有源組件和無源組件-工程設(shè)計真的是黑白的嗎？

晶體管和集成電路被認(rèn)為是有源組件，因為它們使用電源的能量來改變信號。同時，我們稱電容器，電阻器，電感器，連接器，甚至PC板（PCB）等組件為無源，因為它們似乎不消耗功率。但是，這些顯然無源的組件可以并且確實以意想不到的方式改變信號，因為它們都包含寄生部分。因此，實際上，許多所謂的被動組件并不是那么被動。在本應(yīng)用筆記中，無源器件由3部分組成的系列的第1部分，我們將探討電容器的有源作用。

被動電容器

可以定義為惰性和/或惰性。但是無源電子組件可能以意想不到的方式成為電路的有源部分。因此，根本不存在純粹為電容性的電容器。所有電容器固有地都具有寄生成分（圖1）。

電容器?及其最大的寄生元件。

讓我們仔細(xì)看一下圖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。所有其他組件都是有害的寄生蟲。并聯(lián)電阻RL會引起DC泄漏，這會改變有源電路的偏置電壓，破壞濾波器中的Q因子，并破壞采樣保持電路的保持能力。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的能力，因為等效串聯(lián)電感（ESL）產(chǎn)生了調(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，電容器看起來是電感性的，不再能夠?qū)⒏哳l噪聲從電源耦合到地面。電介質(zhì)可以是壓電的，會增加振動（AC）產(chǎn)生的噪聲，看起來像是C電容器內(nèi)部的電池（未畫出）。冷卻焊料應(yīng)力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)會改變電容器的值。極化電解電容器還可以具有串聯(lián)的寄生二極管（未畫出），這些二極管可以整流高頻信號并改變偏置或增加不必要的失真。

小型電池SB1至SB4表示塞貝克結(jié)，不同的金屬（寄生熱電偶）在此建立電壓源。在連接測試設(shè)備時，我們需要考慮普通連接器的塞貝克效應(yīng)。Jim Williams應(yīng)用筆記中的附錄J，圖J5顯示，BNC和香蕉連接器對的熱電勢范圍為0.07μV /°C至1.7μV /°C。這種差異僅是我們每天在實驗室中進(jìn)行的簡單連接。將看似很小的失調(diào)增益乘以1000，我們就得到1.7mV的電壓，這是在我們實際進(jìn)行任何生產(chǎn)之前。

SB2和SB3可以在電容器內(nèi)部，在該電容器中，箔片連接到引線，或者金屬化層連接到表面安裝部件中的鍍層或焊料。SB1和SB4表示從零件通過焊料到PCB銅跡線的連接點。焊料曾經(jīng)是簡單的63％鉛和37％錫。但是今天，人們不得不詢問合金的含量，因為無鉛RoHS焊料會發(fā)生很大變化，并影響電容器周圍的電壓。

介電吸收DA或Bob Pease所謂的“浸泡”可以建模為無數(shù)個不同的RC時間常數(shù)，DA1到DAINFINITY。這些時間常數(shù)均由電阻RDA和電容器CDA組成。鮑勃·皮斯（Bob Pease）為我們提供了一些有關(guān)“浸泡”時間的實際例子，我記得附錄中有關(guān)浸泡的有趣經(jīng)歷。

“好吧，如果您關(guān)閉彩電并打開后蓋，那么在開始進(jìn)行操作之前，您要做的第一件事是什么？將接地帶放在螺絲刀上，并伸到HV插頭上的橡膠套下方，以釋放CRT。好了，既然電容已經(jīng)放電，那么如果讓它靜置約10分鐘，它將有多少電壓“吸收”回顯像管的“電容”中？在第二次放電時，足以形成可見的電弧……現(xiàn)在這就是我所說的介電吸收。”

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損壞的多種方式，這種簡單的無源元件變得更加復(fù)雜。

現(xiàn)在，我們應(yīng)該說一下自諧振，這是去耦電容器和不良接地最常見的電容器問題。如果接地不良，電容器將無法發(fā)揮作用。電容自諧振受圖1所示的ESL的影響。但是，也不要忽視PCB過孔的影響。在射頻下，這些過孔會影響小型電容器的自諧振點。檢查圖2并集中在1μF曲線上。

三個電容器的自諧振（曲線上的最低點）。圖表顯示，電容器的性能并不完全相同。在走線（阻抗）向下移動的左側(cè)，電容器充當(dāng)電容器。但是，當(dāng)它們到達(dá)最低點并向上啟動時，它們將變成電感器（ESL），并且不再有效用作去耦電容器。

1μF走線在4.6MHz處發(fā)現(xiàn)最小值。在該頻率以上，ESL占主導(dǎo)地位，電容器的工作方式類似于電感器。這告訴我們，去耦電容器是用于高頻的雙向管道：電源總線上的高頻與地面共享，反之亦然。電容器使電源和地之間的差異均勻。

考慮更多關(guān)于信號頻率和電容器的信息，我們可能會忘記所產(chǎn)生的諧波或邊帶。例如，實際的50MHz方波SPI時鐘將具有奇數(shù)諧波到無窮大。大多數(shù)系統(tǒng)，但不是所有系統(tǒng)，都可以忽略高于五次諧波的諧波，因為能量是如此之低，以至于低于本底噪聲。但是，如果諧波在半導(dǎo)體中被整流并且仍然可以轉(zhuǎn)化為新的低頻干擾，則仍然會引起問題。

操縱制造公差

圖2顯示并非所有電容器都相等。通常，高質(zhì)量電容器具有很高的可重復(fù)性，而某些便宜的電容器可以以較大的制造公差換取較低的成本。一些制造商“裝箱”（圖3）或選擇容差嚴(yán)格的電容器，這些電容器將以高價出售。如果該電容器用于設(shè)置系統(tǒng)中的時間或頻率，則可能是有害的。

合并或分類制造公差會以不同方式影響電容器性能。

圖3中的實線（黑色）曲線是良好制造過程的標(biāo)準(zhǔn)偏差。盡管我們在Maxim Integrated的應(yīng)用筆記4301“零晶體管IC，IC設(shè)計的新平臺”中將這一圖示用于電阻，但數(shù)據(jù)同樣適用于電容器。隨著制造公差的變化，每個料倉中的零件數(shù)量也會發(fā)生變化。公差可能會向右移動（綠色虛線），導(dǎo)致在1％的公差下沒有屈服。它可以是雙峰（灰色虛線），具有很多5％和10％的公差零件，而只有1％和2％的公差零件。

對“似乎”進(jìn)行裝箱，以確保2％公差范圍僅是從負(fù)1到負(fù)2以及從1到正2（即，沒有1％的部分）。它還“似乎”從5％裝箱中刪除了任何1％和2％公差的零件。我們說“似乎”和“出現(xiàn)”是因為銷量和人性也影響了兩者的組合。例如，工廠經(jīng)理可能需要裝運5％公差的電容器，但他本月的需求不足。但是，他的容差部分確實過剩2％。因此，本月他將它們?nèi)拥?％的垃圾箱中并進(jìn)行裝運。顯然，人為干預(yù)可以而且確實會歪曲統(tǒng)計數(shù)據(jù)和方法。

這對我們的無源電容器意味著什么？我們必須了解，我們可能期望的公差，例如±5％，中間可能會有±2％的孔。如果電容器控制臨界頻率或時序，我們需要考慮到這一點。這也可能意味著我們需要計劃通過校準(zhǔn)來校正更大的變化。

焊接如何影響無源性能
焊接會在電容器中，特別是在表面安裝零件中引入應(yīng)力。這種應(yīng)力會導(dǎo)致壓電電壓產(chǎn)生振動，甚至使電容器破裂，從而使電容器隨后失效。

看到正確的回流焊接令人印象深刻。熔化的焊料的表面張力使零件旋轉(zhuǎn)成對準(zhǔn)狀態(tài)，就好像靠魔術(shù)一樣。但是不良的焊料溫度曲線確實會損壞器件。您是否看到電容器像墓碑一樣豎立在一端？如果焊料溫度上升不正確，可能會發(fā)生這種情況。始終遵循制造商的焊料輪廓建議。一些組件對溫度更敏感，因此，電路板組件可能需要兩種或兩種以上熔點不同的焊料。首先用最高熔點的焊料焊接電路中的大多數(shù)組件，然后在較低溫度下焊接任何“敏感”組件。必須以正確的順序使用焊料，以免在過程中較早焊接的那些零件在以后不被焊接。

總結(jié)
當(dāng)我們談到諸如電容器之類的無源器件時，我們必須記住，這些器件都包含可改變信號的寄生部分。當(dāng)然，其影響取決于信號強(qiáng)度。如果要測量微伏，那么一切都很重要：接地（星點），屏蔽去耦電容器，防護(hù)，布局，塞貝克效應(yīng)，電纜構(gòu)造和焊接連接器。我們的原理圖通常對此有所掩飾，這在我們尋找小的噪聲或電壓之前是可以接受的。

請記住，無源電容器只是一個組件，而且實際上比它看起來更活躍。組件寄生效應(yīng)，容差，校準(zhǔn)，溫度，老化甚至組裝方法和實踐都會產(chǎn)生細(xì)微的影響，這些都會影響設(shè)備的性能。知道了這一點，我們需要了解許多電容器可能累積的潛在誤差。在這個由3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組件：電阻器，電位計，開關(guān)以及令人驚訝的低級PCB。

最后，AVX和Kemet是電容器公司，它們指定寄生元件并提供免費的Spice工具。7這些Spice工具使我們能夠繪制電容器的實際性能圖。他們兩個網(wǎng)站上的應(yīng)用筆記也都非常有用。

編輯：hfy