EDN China > 技术文章 > 模拟设计 > 运放与功放 > 正文
? 2016博客大赛-不限主题,寻找电子导师,大奖升级??

选错无源元件,再好的运算放大器或数据转换器也可能会表现不佳——避开无源元件的陷阱

Doug Grant?? Scott Wurcer?? 2015年09月07日 ?? 收藏4
假设您花费 25 美元或更多钱购买了一个精密运算放大器或数据转换器,插入电路板后,您却发现,器件与其技术规格不符。可能是电路受漂移影响,频率响应不佳,发生振荡,或者根本无法实现您期望的精度。不过,先不要抱怨器件本身,而应当先检查您的无源元件,包括电容、电阻、电位器,当然还有印刷电路板本身。容差、温度、寄生效应、老化以及用户组装过程的微妙影响,可能会在不经意间搞垮您的电路。而且,制造商常常对所有这些影响不加说明或语焉不详。一般而言,如果使用 12 位或更高分辨率的数据转换器,或者价格在5美元以上的运算放大器,则无源元件的选择尤其应当慎重。为了更好地说明这一问题,请考虑一个 12 位数模转换器(DAC)。半个LSB(最低有效位)对应于满量程的 0.012%,或百万分之 122 (ppm)!在各种无源元件的影响下,误差可能会快速累积,从而远远超过 122。

购买昂贵的无源元件并不一定能解决问题。很多情况下,如果选择得当,则利用 25 美分电容所实现的设计,可能比利用 8 美元的电容的设计性能更好、性价比更高。了解和分析无源元件的影响虽然并非易事,不过却是非常值得的;下面将介绍一些基本知识。

电容

大多数设计人员一般都很熟悉现有的各种电容。但是,电容种类繁多,包括玻璃电容、铝箔电容、固态钽和钽箔电容、银云母电容、陶瓷电容、特氟龙电容,以及聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚丙烯类型的薄膜电容等,因此精密电路设计中发生静态和动态误差的机制很容易被忘记。

图 1 显示了一个非理想电容的等效模型。电阻 Rp 代表绝缘电阻或泄漏,与标称电容 C 并联。第二个电阻 Rs(等效串联电阻或ESR)与该电容串联,代表引脚和电容器极板的电阻*。电感L(等效串联电感或 ESL)代表引脚和电容板的电感。最后,电阻Rda 和电容 Cda 一起构成电介质吸收现象的简化模型。无论是快速电路还是慢速电路,电介质吸收现象均可能会破坏其动态性能。

图 1. 电容等效电路
图 1. 电容等效电路

电介质吸收

我们首先讨论电介质吸收,也称为“浸润”,有时也称为“电介质迟滞”,这可能是我们了解最少而潜在破坏性最高的一种电容效应。放电时,多数电容都不愿意放弃之前所拥有的全部电荷。图2 显示了这一效应。电容在时间 t 0 充电至 V 伏后,开关在时间 t1将电容短路。在时间 t 2,电容开路;残余电压在其引脚上缓慢积累,达到近乎恒定的值。此电压就是由“电介质吸收”引起的。

图 2. 残余电压反映电容的电介质吸收现象
图 2. 残余电压反映电容的电介质吸收现象

界定或测量电介质吸收的标准技术极为稀少。测量结果通常用电容上重复出现的原始充电电压的百分比表示。典型方法是:让电容充电 1 分钟以上,然后短路 1 至 10 秒的建立时间,最后让电容恢复约 1 分钟时间,再测量残余电压。

实际操作中,电介质吸收有多种表现形式,例如:积分器拒绝复位至 0,电压频率转换器表现出异常非线性,采样保持器表现出变化不定的误差。最后一种表现形式对于数据采集系统特别不利,因为相邻通道的电压差可能达到几乎满量程。图 3 显示了一个简单采样保持器所发生的情况。

图 3. 电介质吸收在采样保持应用中引起误差
图 3. 电介质吸收在采样保持应用中引起误差

电介质吸收是电介质材料本身的特性,但低劣的制造工艺或电极材料也会影响此特性。电介质吸收特性用充电电压的百分比表示,对于特氟龙、聚苯乙烯和聚丙烯电容,该值低至 0.02%;对于一些铝电解电容,该值则高达 10% 或更大。在一定时间期限内,聚苯乙烯电容的电介质吸收率可以低至 0.002%。

一般陶瓷和聚碳酸酯电容的典型电介质吸收率为 0.2%,这相当于8 位分辨率时的半个 LSB!银云母、玻璃和钽电容的电介质吸收率通常较大,介于 1.0% 至 5.0% 之间;聚酯电容的电介质吸收率为 0.5% 左右。一般而言,如果电容技术规格表没有说明所需时间期限和电压范围内的电介质吸收率,则应格外谨慎。

电介质吸收可以在快速建立电路的瞬态响应中产生长尾现象,例如高通有源滤波器或交流放大器。在此类应用所用的一些器件中,图 1 的 Rda-Cda 电介质吸收模型可能具有数毫秒的时间常数*。在快充快放应用中,电介质吸收与“模拟存储器”相似,电容试图记住以前的电压。

一些设计中,如果电介质吸收效应比较简单,易于确定,并且您愿意做一些微调,则可以对其进行补偿。例如在积分器中,可以通过合适的补偿网络反馈输出信号,通过并联一个负阻抗来抵消电介质吸收等效电路。已经证明,这种补偿方法可以将采样保持电路的性能提高 10 倍或更多。

寄生效应和损耗因数