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压力引入的突发噪声:陶瓷电容器中的颤噪

John Caldwell?? TI?? 2015年06月10日 ?? 收藏1
在设计一个低噪声放大器电路时,我的注意力被某些有意思的运行方式所吸引。在我的工作台上随意移动印刷电路板 (PCB) 使得输出电压突然变化!由于感到很有意思,我决定进行一个测试:我重复轻轻敲打PCB,与此同时观察示波器上的输出电压。

图1:轻敲PCB产生的电路输出
图1:轻敲PCB产生的电路输出

图1中显示的7个输出电压中的尖峰是我轻敲PCB的结果。很多与PCB的物理相互作用会导致电路输出的变化。例如,按压运算放大器的封装会改变其偏移电压。然而,这个电路对振动非常敏感,而运算放大器通常并未显示出这样的灵敏度水平。将这一点考虑在内后,我将注意力转移到PCB上的陶瓷电容器。

多层陶瓷电容器非常有用。它们提供低等效串联电阻 (ESR) 与等效串联电感 (ESL),以及大容积效率的独特组合。如图2所示,它们的结构是陶瓷电介质材料内的多层金属电极。

图2:多层陶瓷电容器的物理结构
图2:多层陶瓷电容器的物理结构

钛酸钡 (BaTiO3) 常常被用在陶瓷电容器的电介质中,其原因是这种物质具有大于3000的相对电容率[1]。通常情况下,当你缩小陶瓷电容器的物理尺寸时,电容值的增加就要求在电介质中使用更大量的BaTiO3。撇开高电容率不说,BaTiO3具有另外一个有意思的特性:就是它的高压电属性。这使其成为压电麦克风和吉他拾音器的理想选择!

压电效应是施加机械压力时电压产生的过程[2]。图3显示,一个陶瓷电容器被焊接在PCB上。当向下按压时(红色箭头),PCB变形,使得电介质伸长或被端帽压缩(蓝色箭头)。当我轻敲PCB时,我在陶瓷电容器上施加了一个机械压力,导致电介质中的压电响应,并产生输出电压。

图3:PCB上的机械压力通过电容器端帽连接至电介质
图3:PCB上的机械压力通过电容器端帽连接至电介质

压电是安装在高振动环境中的电子元器件的主要问题。在此类应用中,对于高电容值,低ESR和ESL,以及小外形尺寸的需要有可能使工程师选择一款高K陶瓷电容器(X7R,Y5V,Z5U等)。此类电容器包含高含量的BaTiO3 [3]。一个常见示例就是放置在ADC基准输入上的电容器。此电路在没有剧烈抖动的实验室环境中运转良好。一旦被安装在振动环境中,ADC读数有可能出现重大误差。电源设计人员也意识到逆压电效应,其中电容器上的纹波电压使其“小声哼唱”或抖动。

为了实现低噪声放大器电路,我选择研究几款不同的方案来解决这个问题:

1. 软端接陶瓷电容器:这些电容器是端帽内有柔软且富有弹性物质来减缓压力的陶瓷电容器。他们曾被用在汽车应用中,在此类应用中,PCB弯曲会导致电容器故障。

2. 钽电容器:据报道,钽电容器未表现出颤噪效应[4]。然而,他们也有某些缺陷。他们会被极化,并且通常比外形尺寸和电容值相似的陶瓷电容器具有更高的ESR和ESL。

3. 薄膜电容器:某些客户已经表示,在高抖动环境中使用薄膜电容器可以获得令人满意的结果。不好的一面是薄膜电容器通常比陶瓷或钽电容器大,价格也高很多。

这些解决方案是组件级的,其中并不包括对PCB的可能更改,诸如应力消除断流器。在下一篇博文中,我将在同一电路中测试每一款电容器,并且比较他们对抖动的敏感性。

注:

[1] Kahn, M.,多层陶瓷电容器–材料和制造, http://www.avx.com/docs/techinfo/mlcmat.pdf

[2] 压电,http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity

[3] Caldwell, J.,深入了解高K MLCC的失真机制,http://www.edn.com/design/analog/4426318/More-about-understanding-the-distortion-mechanism-of-high-K-MLCCs

[4] Cain, J.,多层陶瓷和钽电容器的比较, http://www.avx.com/docs/techinfo/mlc-tant.pdf


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放大器? 钽电容器? 薄膜电容器? 低噪声放大器?

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