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概述

 有源元件和無源元件  晶體管和集成電路由於利用來自電源的能量改變信號,所以被認為是有源元件。基於這個依據,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……

 有源元件和無源元件

  晶體管和集成電路由於利用來自電源的能量改變信號,所以被認為是有源元件。基於這個依據,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,由於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並非真的“無源”。本文分為3部分,這裡為第1部分,專註於討論電容的有源特性。
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,這種影響取決於信號強度。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雜訊干擾或信號時,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範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。
  並非完全無源的電容
  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。並聯電阻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,並影響採樣-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雜訊去耦作用。電容介質可能是壓電介質,增加振動產生的雜訊 (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體(未繪出),這些二極體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範圍為0.07µV/°C至1.7µV/°C (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。
  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於吸收的有趣經歷。
  “如果您關閉彩色電視機,然後打開后蓋,那麼在您開始操作之前首先必須要做的是什麼?在螺絲刀上連接一條地線,然後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,那麼有多少電壓將“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。然後再加上老化、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複雜。
  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,電容的性能並不完全一致。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,高於該頻率時,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嚮導體:對於電源匯流排上的高頻信號而言,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(並非所有系統)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,高質量電容的重複性非常好,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),並收取高額費用。這對用於設置系統時間或頻率的電容並不適合。
  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,儘管該圖在Maxim Integrated應用筆記4301“零晶體管IC,IC設計領域的又一里程碑” 中用於表示電阻特性,但也同樣適用於電容。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。
  從分佈特性看,“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。於是,他將這些元件劃分到5%容限的“盒子”里,然後發貨。很容易解決了上述問題,人為干預(也確實這麼做了)會“歪曲”統計數據和方法。
  這樣做對於無源電容意味著什麼?我們必須了解所預期容限,比如±5%,其統計分佈可能在±2%中心位置有一個缺口。電容用於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範圍。
  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。
  大家對迴流焊流程並不陌生,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。請務必遵守製造商的焊接建議。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,然後再用低溫焊接“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後“溶化”掉。
  最後,AVX和Kemet電容器廠商給出了電容的寄生參數,並提供免費的Spice工具7。我們可以利用這些Spice工具繪製電容的實際性能,也可參考這些公司網站的應用筆記獲取有價值的信息。

 


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