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作者：Maxim應用工程師Bill Laumeister 摘要：晶體管、集成電路等有源器件利用來自電源的能量對信號進行轉換，而電阻、電容、電感以及連接器等無源元件則不消耗電能——或許是我們的假設。由于無源元件均具有寄生參數，它們實際上會以不可預知的方式改變信號。本文分為3部分，這里為第1部分，討論寄生電容的影響。 引言 有源元件和無源元件——在工程設計領域真的是非白即黑嗎？ 晶體管和集成電路由于利用來自電源的能量改變信號，所以被認為是有源元件。基于這個依據，我們將電容、電阻、電感、連接器，甚至是印刷電路板(PCB)稱為無源元件，因為它們看起來不耗電。然而，由于無源元件均具有寄生參數，它們實際上也會以不可預知的方式改變信號。所以，許多所謂的無源元件并非真的“無源”。本文分為3部分，這里為第1部分，專注于討論電容的有源特性。 并非完全無源的電容 無源可定義為惰性和/或不活躍，但無源電子元件會以不可預知的方式成為有源電路的一部分。所以，純容性電容實際上是不存在的。所有電容在本質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。 我們進一步觀察圖1所示寄生元件。標有“C”的電容是我們的考察對象，其它所有元件則是不希望存在的寄生元件。并聯電阻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。等效串聯電阻(ESR)則會降低電容抑制紋波和通過高頻信號的能力，因為等效串聯電感(ESL)形成諧振電路(即自諧電路)。這意味著，在自諧頻率以上時，電容呈現為電感，不再具備電源與地之間的高頻噪聲去耦作用。電容介質可能是壓電介質，增加振動產生的噪聲(AC)，就好像電容C內部嵌入了電池(未繪出)。冷焊應力造成的壓電效應可以改變電容值。壓電電解電容也具有等效的串聯寄生二極管(未繪出)，這些二極管會對高頻信號進行整流，改變偏置或增大信號失真。 較小的電池SB1至SB4表示塞貝克(Seebeck)結，是由不同金屬(寄生熱電偶)在此形成的電壓源。當我們連接測試設備時，需要考慮共用連接器的塞貝克效應。Jim Williams在參考文獻4中指出，BNC和橡膠插頭連接器對的熱電勢范圍為0.07μV/℃至1.7μV/℃。這一變化只適合我們日常在實驗室內部的簡單連接。將看起來較小的失調增益乘以1000，就達到1.7mV——這是我們尚未實際開始操作就存在的。 SB2和SB3可能是電容內部連接引線的箔，或連接至焊盤或表貼元件焊料的金屬化物。SB1和SB4表示器件通過焊料到PCB銅線的結。以往的焊料是63%的鉛和37%的錫，但現在使用的符合RoHS標準的無鉛焊料成分變化很大，會影響電容附近的電壓，所以必須查詢合金成分。 可對介質吸收(DA)或Bob Pease所稱的“滲透”進行建模，等效為無數個RC時間常數：DA1至DAINFINITY，其中每個時間常數由電阻RDA和電容CDA組成。Bob Pease列舉了一些“滲透”非常重要的實例，本文附錄中介紹了一段關于吸收的有趣經歷。 “如果您關閉彩色電視機，然后打開后蓋，那么在您開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CRT放電。那好，現在電容已經放電了，如果讓這一過程持續大約10分鐘，那么有多少電壓將“滲透”回顯像管的“電容”？當您第二次放電時，足以造成可見的電弧....這就是我所說的介質吸收。” 由此可見，電容會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損壞的眾多因素，這種簡單的無源元件就變得非常復雜。 現在，我們應該討論一下與自激有關的因素，這是去耦電容以及接地不良的電容最常見的問題。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，當然，PCB過孔也會產生一定的影響。工作在射頻頻段時，這些過孔將影響小電容的自激點。以圖2為例，討論了1μF電容的曲線。
圖2. 三個電容的自激頻率(曲線的最低點)，圖示表明，電容的性能并不完全一致。在左側，當曲線(阻抗)向下移動時，電容表現為電容。當達到其最低點時，電容呈現為電感(ESL)，不再是有效的去耦電容。 1μF曲線在4.6MHz時達到最小，高于該頻率時，ESL占支配地位，電容的工作特性表現為電感。由此，去耦電容在高頻下稱為一個雙向導體：對于電源總線上的高頻信號而言，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。 隨著對信號頻率和電容的深入考察，我們可能忘記了所產生的諧波或邊帶。例如，一個50MHz方波的SPI時鐘，具有無限次的奇次諧波。大多數系統(并非所有系統)會忽略5次以上的諧波，因為這些諧波的能量已經非常低，在噪底以下。如果諧波在半導體器件中經過整流，仍可造成負面的影響，因為它們會轉換成新的低頻干擾。 控制生產誤差 從圖2可以看出，電容在生產過程中存在不一致的問題。一般而言，高質量電容的重復性非常好，而一些廉價電容則會受成本控制而存在較大的生產誤差。有些廠商按照嚴格的誤差等級或標準篩選電容(圖3)，并收取高額費用。這對用于設置系統時間或頻率的電容并不適合。
圖3. 生產誤差等級或篩選，會以不同方式影響電容性能。 圖3中的實線(黑色)為一個好的生產過程的標準方差，盡管該圖在Maxim Integrated應用筆記4301“零晶體管IC，IC設計領域的又一里程碑”中用于表示電阻特性，但也同樣適用于電容。當生產誤差變化時，每個“盒子”內的器件數量也隨之變化。誤差曲線可向右移動(綠色虛線)，結果是沒有符合1%容限的元件；統計概率也可以是雙峰曲線(灰色虛線)，得到較多的符合5%和10%容限的元件，而符合1%和2%容限的元件數量很少。 從分布特性看，“似乎”能夠保證2%容限的元件只有-1到-2，或+1到+2 (沒有滿足1%容限的器件)；“好像”從5%容限的“盒子”里移除了1%和2%容限的器件。我們之所以用“看起來”和“好像”是因為銷售量、人為因素也會影響分配比例。例如，工廠經理可能急需發貨5%容限的電容，但又沒有足夠的產品滿足本月的需求。而庫房又存放了過多的2%容限元件。于是，他將這些元件劃分到5%容限的“盒子”里，然后發貨。很容易解決了上述問題，人為干預(也確實這么做了)會“歪曲”統計數據和方法。 這樣做對于無源電容意味著什么？我們必須了解所預期容限，比如±5%，其統計分布可能在±2%中心位置有一個缺口。電容用于控制關鍵頻率或定時，我們需要預先考慮到這點。這也意味著我們需要規劃，通過校準來修正較寬變化范圍。 焊接對無源器件性能的影響 焊接會對電容造成應力，尤其是表貼元件。應力將隨著振動產生壓電電壓，甚至損害電容，存在系統故障隱患。 大家對回流焊流程并不陌生，液體焊料的表面張力使元件整齊排列滾動，好像被磁鐵吸住一樣。如果焊料的溫度特性較差，則有可能損壞器件。您可能在現場看到過，電容像墓碑一樣單腳直立？如果焊料溫度變化出現問題，既有可能引發這種情況。請務必遵守制造商的焊接建議。有些元件對溫度更為敏感，所以可能需要用兩種或多種不同溫度的焊料進行焊接。首先用高熔點焊料對電路中的大多數元件進行焊接，然后再用低溫焊接“敏感”元件。必須以正確的順序使用焊料，避免前期焊接的器件不會隨后“溶化”掉。 總結 當我們討論電容等無源元件時，必須注意這些元件均具有寄生效應，從改變了信號。當然，這種影響取決于信號強度。當測量微伏級信號時，需要謹慎考慮以下因素：接地(星形連接點)、屏蔽去耦電容、保護線、布局、塞貝克效應、電纜結構，以及連接器。我們的原理圖上往往忽略了這些因素，但當我們排查微弱的噪聲干擾或信號時，將不得不考慮這些因素。 注意，無源電容不僅僅是一個無源元件，要比表面看起來“活躍”得多，寄生成分、誤差、校準、溫度、老化，甚至組裝方法和操作規范都會對電路產生微妙的影響，從而影響器件性能。了解到這一點，我們還需要理解電容器的累積誤差。在本文的后續部分，我們還將討論其它類型的無源元件：電阻、電位器、開關，甚至是不引人注意的PCB。 最后，AVX和Kemet電容器廠商給出了電容的寄生參數，并提供免費的Spice工具7。我們可以利用這些Spice工具繪制電容的實際性能，也可參考這些公司網站的應用筆記獲取有價值的信息。 附錄 無源電容的介質吸收、滲透和電壓放電 我對第一次看到介質滲透的經歷印象深刻，與我第一次測量功率變壓器場景大不相同。 在我十幾歲時，當地一位“火腿族”(20世紀中期的一個稱呼，指業余無線電愛好者——糟糕，我可能暴露了我的年齡。)在他的車庫中維修電視機。我從他那里學到了很多東西，有些是手把手教的。在他的工作臺上有一個斷開的功率變壓器，引線裸露在外。我說我能夠用歐姆表測量出電阻，于是，我非常幼稚地抓住兩個探頭，然后將每個探頭按到裸露的引線上。嗖！即使歐姆表僅由3V電源供電，電感產生的反沖也足以使我牢記這次教訓。 他同情地看著我(希望我牢記教訓，并非要我死)。于是，他像Bob Pease所說的那樣，把CRT接地，然后向我展示電荷仍會停留幾分鐘。我照樣子做了，急于弄清電荷到底能夠停留多久——結果發現電荷似乎無休止地保持著(直到我覺得無聊，停止了試驗)。Keith Snook 8對DA理論進行了深入討論，這是值得關注的一個好課題。 答案就在我們學過的知識中：我們不可能對電容完全充電，除非我們等待無限長時間。實際應用中，對于大多數電路，我們認為達到時間常數的5倍之后，即充電完畢，此時電壓達到所加總電壓的99.3%。電容放電的過程亦如此。就CRT而言，從高壓開始，在較長的時間內都能產生令人痛苦的電擊。 |
