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无源元件并非真的“无源”(第1部分):电容

Bill Laumeister?? Maxim公司战略应用工程师?? 2013年08月26日 ?? 收藏2
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。

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/℃至1.7μV/℃(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。

我们可以对介质吸收(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。

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第1页:并非完全无源的电容

第2页:控制生产误差

第3页:焊接对无源器件性能的影响

第4页:附录——无源电容的介质吸收、渗透和电压放电


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无源元件? 电容? 寄生参数?

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