无源元件并非真的“无源”:第1部分——电容

2014-02-08 09:54:04来源: 互联网
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。

  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)。

  

  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。

  

  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。

  

  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。

关键字:无源元件  电容

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2014/0208/article_23933.html
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