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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1。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2。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3，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/℃(附錄J，圖J5)。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。 我們可以對介質吸收(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。”5 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6，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43017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。 圖3：生產誤差等級或篩選，會以不同方式影響電容性能。 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8。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。 參考文獻 1. Capacitor Distortion Mechanisms www.co-bw.com/Audio_Capacitor_Distrotion_Mechanisms.htm. (這個URL中的單詞“distrotion”拼錯，但這個URL是正確的。) 2. Pease, Bob, “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 Williams, Jim, 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 Pease, Bob, “Understand Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems,” http://portal.national.com/rap/Application/0,1570,28,00.html. For more general information on Seebeck junctions, you can start at http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect. 4. Williams, Jim, op cit. 5. Pease, Bob, “What’s All This Soakage Stuff, anyhow?” Electronic Design, May 13, 1998, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-soakage-stuff-anyhow. 6. Maxwell, John, AVX Corp., “Technical Information, Cracks: The Hidden Defect,” http://www.avx.com/docs/techinfo/cracks.pdf. 7. Maxim Integrated, application note 4301, “The Zero-Transistor IC, a New Plateau in IC Design,” www.maximintegrated.com/AN4301. 8. Spice tools for Kemet and AMX capacitors can be found near the bottom of the page at www.maximintegrated.com/cal. 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(ham)”(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1，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 Snook2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。 Kemet是KRC Trade Corporation的注冊商標。 參考文獻 1. Pease, Bob, “What’s All This Soakage Stuff, anyhow?” Electronic Design, May 13, 1998, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-soakage-stuff-anyhow. 2. Snook, Keith, “What’s all this Trapped Charge and Dielectric Compression Stuff Anyhow?” http://www.keith-snook.info/capacitor-soakage.html. |
