应用笔记5663

无源元件并非真的“无源”:第1部分——电容


摘要:晶体管、集成电路等有源器件利用来自电源的能量对信号进行转换,而电阻、电容、电感以及连接器等无源元件则不消耗电能——或许是我们的假设。由于无源元件均具有寄生参数,它们实际上会以不可预知的方式改变信号。本文分为3部分,这里为第1部分,讨论寄生电容的影响。

Electronic Design》于2013年6月4日刊登了本文内容。

引言

有源元件和无源元件——在工程设计领域真的是非白即黑吗?
晶体管和集成电路由于利用来自电源的能量改变信号,所以被认为是有源元件。基于这个依据,我们将电容、电阻、电感、连接器,甚至是印刷电路板(PCB)称为无源元件,因为它们看起来不耗电。然而,由于无源元件均具有寄生参数,它们实际上也会以不可预知的方式改变信号。所以,许多所谓的无源元件并非真的“无源”。本文分为3部分,这里为第1部分,专注于讨论电容的有源特性。

并非完全无源的电容

无源可定义为惰性和/或不活跃,但无源电子元件会以不可预知的方式成为有源电路的一部分。所以,纯容性电容实际上是不存在的。所有电容在本质上都存在一定的寄生成分(图1)。
Figure 1. The capacitor (C) and its largest parasitic components.
图1. 电容(C)及其最大的寄生元件。
我们进一步观察图1所示寄生元件。标有“C”的电容是我们的考察对象,其它所有元件则是不希望存在的寄生元件1。并联电阻RL引起泄漏,从而改变有源电路的偏置电压、滤波器的Q因子,并影响采样-保持电路的保持能力2。等效串联电阻(ESR)则会降低电容抑制纹波和通过高频信号的能力,因为等效串联电感(ESL)形成谐振电路(即自谐电路)。这意味着,在自谐频率以上时,电容呈现为电感,不再具备电源与地之间的高频噪声去耦作用。电容介质可能是压电介质,增加振动产生的噪声(AC),就好像电容C内部嵌入了电池(未绘出)。冷焊应力造成的压电效应可以改变电容值。压电电解电容也具有等效的串联寄生二极管(未绘出),这些二极管会对高频信号进行整流,改变偏置或增大信号失真。
较小的电池SB1至SB4表示塞贝克(Seebeck)结3,是由不同金属(寄生热电偶)在此形成的电压源。当我们连接测试设备时,需要考虑共用连接器的塞贝克效应。Jim Williams在参考文献4中指出,BNC和橡胶插头连接器对的热电势范围为0.07µV/°C至1.7µV/°C (附录J,图J5)。这一变化只适合我们日常在实验室内部的简单连接。将看起来较小的失调增益乘以1000,就达到1.7mV——这是我们尚未实际开始操作就存在的。
SB2和SB3可能是电容内部连接引线的箔,或连接至焊盘或表贴元件焊料的金属化物。SB1和SB4表示器件通过焊料到PCB铜线的结。以往的焊料是63%的铅和37%的锡,但现在使用的符合RoHS标准的无铅焊料成分变化很大,会影响电容附近的电压,所以必须查询合金成分。
可对介质吸收(DA)或Bob Pease所称的“渗透”进行建模,等效为无数个RC时间常数:DA1至DAINFINITY,其中每个时间常数由电阻RDA和电容CDA组成。Bob Pease列举了一些“渗透”非常重要的实例,本文附录中介绍了一段关于吸收的有趣经历。
“如果您关闭彩色电视机,然后打开后盖,那么在您开始操作之前首先必须要做的是什么?在螺丝刀上连接一条地线,然后接触高压插头上的橡胶垫圈下方,对CRT放电。那好,现在电容已经放电了,如果让这一过程持续大约10分钟,那么有多少电压将“渗透”回显像管的“电容”?当您第二次放电时,足以造成可见的电弧....这就是我所说的介质吸收5。”
由此可见,电容会随着作用电压的改变而改变。然后再加上老化、温度的影响,以及其它可能造成电容器物理损坏的众多因素6,这种简单的无源元件就变得非常复杂。
现在,我们应该讨论一下与自激有关的因素,这是去耦电容以及接地不良的电容最常见的问题。如果接地不良,任何电容都不能正常工作。电容自激主要受图1所示ESL的影响,当然,PCB过孔也会产生一定的影响。工作在射频频段时,这些过孔将影响小电容的自激点。以图2为例,讨论了1µF电容的曲线。
Figure 2. Self-resonance (lowest point on the graph) of three capacitors. Graph shows that capacitors do not all perform identically. On the left side as the traces (impedances) are moving downward, the capacitors act as capacitors. However, when they reach their lowest point and start upward, they become inductors (ESL) and are no longer effective as decoupling capacitors.
图2. 三个电容的自激频率(曲线的最低点),图示表明,电容的性能并不完全一致。在左侧,当曲线(阻抗)向下移动时,电容表现为电容。当达到其最低点时,电容呈现为电感(ESL),不再是有效的去耦电容。
1µF曲线在4.6MHz时达到最小,高于该频率时,ESL占支配地位,电容的工作特性表现为电感。由此,去耦电容在高频下称为一个双向导体:对于电源总线上的高频信号而言,电源线与地短接,反之亦然。电容模糊了电源和地之间的差异。
随着对信号频率和电容的深入考察,我们可能忘记了所产生的谐波或边带。例如,一个50MHz方波的SPI时钟,具有无限次的奇次谐波。大多数系统(并非所有系统)会忽略5次以上的谐波,因为这些谐波的能量已经非常低,在噪底以下。如果谐波在半导体器件中经过整流,仍可造成负面的影响,因为它们会转换成新的低频干扰。

控制生产误差

从图2可以看出,电容在生产过程中存在不一致的问题。一般而言,高质量电容的重复性非常好,而一些廉价电容则会受成本控制而存在较大的生产误差。有些厂商按照严格的误差等级或标准筛选电容(图3),并收取高额费用。这对用于设置系统时间或频率的电容并不适合。
Figure 3. Binning, or sorting, of manufacturing tolerances affects capacitor performance in different ways.
图3. 生产误差等级或筛选,会以不同方式影响电容性能。
图3中的实线(黑色)为一个好的生产过程的标准方差,尽管该图在Maxim Integrated应用笔记4301“零晶体管IC,IC设计领域的又一里程碑”中用于表示电阻特性,但也同样适用于电容。当生产误差变化时,每个“盒子”内的器件数量也随之变化。误差曲线可向右移动(绿色虚线),结果是没有符合1%容限的元件;统计概率也可以是双峰曲线(灰色虚线),得到较多的符合5%和10%容限的元件,而符合1%和2%容限的元件数量很少。
从分布特性看,“似乎”能够保证2%容限的元件只有-1到-2,或+1到+2 (没有满足1%容限的器件);“好像”从5%容限的“盒子”里移除了1%和2%容限的器件。我们之所以用“看起来”和“好像”是因为销售量、人为因素也会影响分配比例。例如,工厂经理可能急需发货5%容限的电容,但又没有足够的产品满足本月的需求。而库房又存放了过多的2%容限元件。于是,他将这些元件划分到5%容限的“盒子”里,然后发货。很容易解决了上述问题,人为干预(也确实这么做了)会“歪曲”统计数据和方法。
这样做对于无源电容意味着什么?我们必须了解所预期容限,比如±5%,其统计分布可能在±2%中心位置有一个缺口。电容用于控制关键频率或定时,我们需要预先考虑到这点。这也意味着我们需要规划,通过校准来修正较宽变化范围。

焊接对无源器件性能的影响

焊接会对电容造成应力,尤其是表贴元件。应力将随着振动产生压电电压,甚至损害电容,存在系统故障隐患。
大家对回流焊流程并不陌生,液体焊料的表面张力使元件整齐排列滚动,好像被磁铁吸住一样。如果焊料的温度特性较差,则有可能损坏器件。您可能在现场看到过,电容像墓碑一样单脚直立?如果焊料温度变化出现问题,既有可能引发这种情况。请务必遵守制造商的焊接建议。有些元件对温度更为敏感,所以可能需要用两种或多种不同温度的焊料进行焊接。首先用高熔点焊料对电路中的大多数元件进行焊接,然后再用低温焊接“敏感”元件。必须以正确的顺序使用焊料,避免前期焊接的器件不会随后“溶化”掉。

总结

当我们讨论电容等无源元件时,必须注意这些元件均具有寄生效应,从改变了信号。当然,这种影响取决于信号强度。当测量微伏级信号时,需要谨慎考虑以下因素:接地(星形连接点)、屏蔽去耦电容、保护线、布局、塞贝克效应、电缆结构,以及连接器。我们的原理图上往往忽略了这些因素,但当我们排查微弱的噪声干扰或信号时,将不得不考虑这些因素。
注意,无源电容不仅仅是一个无源元件,要比表面看起来“活跃”得多,寄生成分、误差、校准、温度、老化,甚至组装方法和操作规范都会对电路产生微妙的影响,从而影响器件性能。了解到这一点,我们还需要理解电容器的累积误差。在本文的后续部分,我们还将讨论其它类型的无源元件:电阻、电位器、开关,甚至是不引人注意的PCB。
最后,AVX和Kemet电容器厂商给出了电容的寄生参数,并提供免费的Spice工具7。我们可以利用这些Spice工具绘制电容的实际性能,也可参考这些公司网站的应用笔记获取有价值的信息。


继续阅读:
无源元件并非真的“无源”:第2部分 - Resistors
无源元件并非真的“无源”: 第3部分 - Printed Circuit Boards

参考文献

  1. For information on distortions caused by capacitors, see “Capacitor Distortion Mechanisms,” TWEM (The Electric Web Matrix of Digital Technology), www.co-bw.com/Audio_Capacitor_Distrotion_Mechanisms.htm. Note: the author realizes that the word “distrotion” in this URL is misspelled, but the URL is correct as shown.
  2. Bob Pease, “What's All This Capacitor Leakage Stuff, Anyhow?,” Electronic Design, March 29, 2007, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-capacitor-leakage-stuff-anyhow.
  3. Jim Williams used an “x” to indicate a Seebeck junction. He would count the junction in parallel paths and purposely cut the PC trace and solder them back together to make equal numbers of junctions. See Jim Williams et al, application note 86, “A Standards Lab Grade 20-Bit DAC with 0.1ppm/°C Drift,” http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an86f.pdf. See also Bob Pease, “Understand capacitor soakage to optimize analog systems,” www.datasheetarchive.com/files/national/htm/nsc03883.htm. For more general information on the Seebeck effect, you can start at http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect.
  4. Williams et al, “A Standards Lab Grade 20-Bit DAC.”
  5. Bob Pease, “What's all this soakage stuff, anyhow?,” Electronic Design, May 13, 1998, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-soakage-stuff-anyhow.
  6. John Maxwell, “TECHNICAL INFORMATION, CRACKS: THE HIDDEN DEFECT,” AVX Corporation, www.avx.com/docs/techinfo/cracks.pdf.
  7. Spice tools for Kemet® can be found near the bottom of the page at www.maximintegrated.com/cal.
  8. Keith Snook, “WHAT’S ALL THIS TRAPPED CHARGE AND DIELECTRIC COMPRESSION STUFF ANYHOW?,” www.keith-snook.info/capacitor-soakage.html.

附录

无源电容的介质吸收、渗透和电压放电

我对第一次看到介质渗透的经历印象深刻,与我第一次测量功率变压器场景大不相同。
在我十几岁时,当地一位“火腿族”(20世纪中期的一个称呼,指业余无线电爱好者——糟糕,我可能暴露了我的年龄。)在他的车库中维修电视机。我从他那里学到了很多东西,有些是手把手教的。在他的工作台上有一个断开的功率变压器,引线裸露在外。我说我能够用欧姆表测量出电阻,于是,我非常幼稚地抓住两个探头,然后将每个探头按到裸露的引线上。嗖!即使欧姆表仅由3V电源供电,电感产生的反冲也足以使我牢记这次教训。
他同情地看着我(希望我牢记教训,并非要我死)。于是,他像Bob Pease所说的那样,把CRT接地,然后向我展示电荷仍会停留几分钟。我照样子做了,急于弄清电荷到底能够停留多久——结果发现电荷似乎无休止地保持着(直到我觉得无聊,停止了试验)。Keith Snook 8对DA理论进行了深入讨论,这是值得关注的一个好课题。
答案就在我们学过的知识中:我们不可能对电容完全充电,除非我们等待无限长时间。实际应用中,对于大多数电路,我们认为达到时间常数的5倍之后,即充电完毕,此时电压达到所加总电压的99.3%。电容放电的过程亦如此。就CRT而言,从高压开始,在较长的时间内都能产生令人痛苦的电击。




Kemet是KRC Trade Corporation的注册商标。



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