無源器件并不是真的那么無源（第 1 部分）：電容器

摘要： 晶體管和集成電路等有源元件使用來自電源的能量來改變信號(hào)。相反，電阻器、電容器、電感器和連接器等無源元件不消耗功率——或者我們?cè)敢饧僭O(shè)。然而，無源元件實(shí)際上可以并且確實(shí)以意想不到的方式改變信號(hào)，因?yàn)樗鼈兌及纳?。本?yīng)用筆記是 3 部分系列的第一篇，討論了寄生電容。

另請(qǐng)參閱：
無源元件并非真的如此無源
第 2 部分：電阻器
第 3 部分：印刷電路板

有源元件和無源元件——工程設(shè)計(jì)真的是非黑即白嗎？

晶體管和集成電路被認(rèn)為是有源元件，因?yàn)樗鼈兪褂脕碜噪娫吹哪芰縼砀淖冃盘?hào)。同時(shí)，我們將電容器、電阻器、電感器、連接器甚至 PC 板 (PCB) 等組件稱為無源組件，因?yàn)樗鼈兯坪醪幌墓β?。然而，這些明顯的無源元件可以并且確實(shí)以意想不到的方式改變信號(hào)，因?yàn)樗鼈兌及纳糠?。所以，事?shí)上，許多所謂的無源元件并不是那么無源。在本應(yīng)用筆記（關(guān)于無源器件的 3 部分系列的第 1 部分）中，我們著眼于電容器的有源作用。

被動(dòng)可以定義為惰性和/或非活動(dòng)。但是無源電子元件可以以意想不到的方式成為電路的有源部分。因此，根本不存在純電容性電容器。所有電容器都固有地具有寄生元件（圖 1）。

圖 1. 電容器 (C) 及其最大的寄生元件。

讓我們仔細(xì)看看圖 1 中的有源寄生元件。標(biāo)有“C”的電容器是我們希望看到的。所有其余的組件都是不需要的寄生。1并聯(lián)電阻 R L會(huì)導(dǎo)致直流泄漏，這會(huì)改變有源電路的偏置電壓，破壞濾波器中的 Q 因子，并破壞采樣保持電路的保持能力。2等效串聯(lián)電阻 (ESR) 降低了電容器減少紋波和通過高頻信號(hào)的能力，因?yàn)榈刃Т?lián)電感 (ESL) 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)調(diào)諧電路（即具有自諧振的電路）。這意味著在自諧振頻率以上，電容看起來是電感性的，不能再將高頻噪聲從電源到地去耦。電介質(zhì)可以是壓電的，會(huì)增加振動(dòng) (AC) 產(chǎn)生的噪聲，這看起來就像 C 電容器內(nèi)的電池（未繪制）。冷卻焊料應(yīng)力的壓電效應(yīng)可以改變電容器的值。極化電解電容器也可以串聯(lián)寄生二極管（未繪制），這些二極管可以對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行整流并改變偏置或增加不需要的失真。

小型電池 SB 1到 SB 4表示不同金屬（寄生熱電偶）產(chǎn)生電壓源的塞貝克結(jié)3 。當(dāng)我們連接我們的測(cè)試設(shè)備時(shí)，我們需要考慮常見連接器的塞貝克效應(yīng)。附錄 J，Jim Williams 應(yīng)用筆記4中的圖 J5顯示，成對(duì)的 BNC 和香蕉連接器的熱電勢(shì)范圍為 0.07μV/°C 至 1.7μV/°C。這種差異僅用于我們每天在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的簡(jiǎn)單連接。將看似很小的偏移增益乘以 1000，我們得到 1.7mV——這是在我們實(shí)際做任何有成效的事情之前。

SB 2和 SB 3可以在電容器內(nèi)部，其中箔連接到引線或金屬化連接到表面貼裝部件中的鍍層或焊料。SB 1和 SB 4表示從部件通過焊料到銅 PCB 跡線的結(jié)點(diǎn)。焊料曾經(jīng)是簡(jiǎn)單的 63% 鉛和 37% 錫。但今天人們不得不詢問合金的含量，因?yàn)闊o鉛 RoHS 焊料變化很大，會(huì)影響電容器周圍的電壓。

介電吸收 DA 或 Bob Pease 所說的“浸泡”可以建模為無限數(shù)量的不同 RC 時(shí)間常數(shù)，DA 1到 DA INFINITY。這些時(shí)間常數(shù)中的每一個(gè)都由一個(gè)電阻器 R DA和一個(gè)電容器 C DA組成。Bob Pease 給了我們一些關(guān)于“浸泡”何時(shí)重要的實(shí)際例子，我記得附錄中關(guān)于浸泡的有趣經(jīng)歷。

“嗯，如果你關(guān)掉你的彩電，打開后蓋，在你開始工作之前，你要做的第一件事是什么？將接地帶放在螺絲刀上，并伸到 HV 插頭上的橡膠護(hù)罩下方，以使 CRT 放電。好的，既然電容已經(jīng)放電了，如果讓它靜置約 10 分鐘，多少電壓會(huì)“吸收”回顯像管的“電容”中？當(dāng)你第二次放電時(shí)足以產(chǎn)生可見的電弧......現(xiàn)在這就是我所說的介電吸收。5

因此電容器可以隨著施加的電壓而改變電容。然后加上典型的老化、溫度依賴性以及電容器可能受到物理?yè)p壞的多種方式，6這個(gè)簡(jiǎn)單的無源元件變得更加復(fù)雜。

現(xiàn)在我們應(yīng)該談?wù)勛灾C振，這是最常見的電容問題，與去耦電容和接地不良有關(guān)。如果接地不良，任何電容器都無法發(fā)揮作用。電容自諧振主要受圖 1 所示 ESL 的影響。但也不要忽視 PCB 通孔的影響。在射頻下，這些通孔會(huì)影響小電容器的自諧振點(diǎn)。檢查圖 2并專注于 1μF 曲線。

圖 2. 三個(gè)電容器的自諧振（圖中最低點(diǎn)）。圖表顯示電容器的性能并不完全相同。在左側(cè)，隨著跡線（阻抗）向下移動(dòng)，電容器充當(dāng)電容器。但是，當(dāng)它們到達(dá)最低點(diǎn)并開始向上時(shí)，它們就變成了電感器 (ESL)，不再有效地用作去耦電容器。

1μF 跡線在 4.6MHz 處找到最小值。高于該頻率，ESL 占主導(dǎo)地位，電容器像電感器一樣工作。這告訴我們?nèi)ヱ铍娙菔歉哳l的雙向管道：電源總線上的高頻與地共享，反之亦然。電容器使電源和地之間的差異均勻化。

更多地考慮信號(hào)頻率和電容器，我們可能會(huì)忘記我們創(chuàng)建的諧波或邊帶。例如，一個(gè)真正的 50MHz 方波 SPI 時(shí)鐘將具有無窮大的奇次諧波。大多數(shù)系統(tǒng)（但不是所有系統(tǒng)）可以忽略高于五次諧波的諧波，因?yàn)槟芰糠浅５?，低于本底噪聲。但是，如果諧波在半導(dǎo)體中得到整流，并且可以轉(zhuǎn)化為新的低頻干擾，諧波仍然會(huì)引起問題。

圖 2 顯示并非所有電容器都是相同的。一般來說，高質(zhì)量的電容器具有很高的可重復(fù)性，而一些便宜的電容器可以用較大的制造公差換取較低的成本。一些制造商“裝箱”（圖 3）或選擇具有嚴(yán)格公差的電容器，從而以高價(jià)出售。如果該電容器用于設(shè)置系統(tǒng)中的時(shí)間或頻率，這可能是有害的。

圖 3. 制造公差的分級(jí)或分類以不同方式影響電容器性能。

圖 3 中的實(shí)線（黑色）曲線是良好制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)偏差。盡管我們?cè)?Maxim Integrated 的應(yīng)用筆記 4301“零晶體管 IC，IC 設(shè)計(jì)中的新平臺(tái)”中使用了此圖來表示電阻器，但數(shù)據(jù)同樣適用于電容器。隨著制造公差的變化，每個(gè)箱中的零件數(shù)量也會(huì)發(fā)生變化。容差可能會(huì)向右移動(dòng)（綠色虛線），導(dǎo)致在 1% 容差下沒有良率。它可以是雙峰的（灰色虛線），具有許多 5% 和 10% 的公差部分和少數(shù) 1% 和 2% 的公差部分。

分箱“似乎”確保 2% 的公差零件僅從負(fù) 1 到負(fù) 2 和從正 1 到正 2（即沒有 1% 的零件）。它還“似乎”從 5% 箱中刪除了任何 1% 和 2% 的公差部分。我們說“似乎”和“似乎”是因?yàn)殇N量和人性也會(huì)影響組合。例如，工廠經(jīng)理可能需要運(yùn)送 5% 容差的電容器，但他沒有足夠的數(shù)量來滿足本月的需求。然而，他確實(shí)有過多的 2% 公差零件。所以，這個(gè)月他把它們?nèi)舆M(jìn) 5% 的垃圾箱，然后發(fā)貨。顯然，人為干預(yù)可以而且確實(shí)會(huì)扭曲統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和方法。

這對(duì)我們的無源電容器意味著什么？我們必須了解，我們可能期望的公差，例如 ±5%，中間可能有一個(gè) ±2% 的孔。如果電容器控制臨界頻率或時(shí)序，我們需要考慮到這一點(diǎn)。這也可能意味著我們需要計(jì)劃通過校準(zhǔn)來糾正更廣泛的變化。

焊接會(huì)在電容器中引入應(yīng)力，尤其是在表面貼裝部件中。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致壓電電壓振動(dòng)，甚至使電容器破裂，從而導(dǎo)致后來失效。

看到正確的回流焊接令人印象深刻。熔化焊料的表面張力使零件像魔術(shù)一樣旋轉(zhuǎn)對(duì)齊。但糟糕的焊接溫度曲線確實(shí)會(huì)損壞器件。你見過電容器像墓碑一樣豎立在一端嗎？如果焊料溫度斜坡錯(cuò)誤，就會(huì)發(fā)生這種情況。始終遵循制造商的焊接剖面建議。一些組件對(duì)溫度更敏感，因此電路板組件可能需要兩個(gè)或更多具有不同熔化溫度的焊料。電路中的大多數(shù)元件首先用熔點(diǎn)最高的焊料焊接，然后任何“敏感”元件在較低溫度下焊接。必須以正確的順序使用焊料，以便在過程早期焊接的那些部件以后不會(huì)脫焊。

當(dāng)我們談到電容器之類的無源器件時(shí)，我們必須記住，這些器件都包含可以改變信號(hào)的寄生部分。當(dāng)然，這種影響取決于信號(hào)強(qiáng)度。如果我們想測(cè)量微伏，那么一切都很重要：接地（星點(diǎn)）、屏蔽去耦電容器、防護(hù)、布局、塞貝克效應(yīng)、電纜結(jié)構(gòu)和焊接連接器。我們的原理圖通常會(huì)忽略這一點(diǎn)，在我們尋找小噪聲或電壓之前，這是可以接受的。

請(qǐng)記住，無源電容器只是一個(gè)組件，實(shí)際上比看起來更活躍。組件寄生效應(yīng)、容差、校準(zhǔn)、溫度、老化，甚至組裝方法和實(shí)踐都會(huì)影響器件的性能。知道了這一點(diǎn)，我們需要了解大量電容器可能累積的潛在錯(cuò)誤。在這個(gè) 3 部分系列的未來應(yīng)用筆記中，我們將討論其他所謂的無源元件：電阻器、電位器、開關(guān)，以及令人驚訝的低 PCB。

最后，AVX 和 Kemet 是指定寄生元件并提供免費(fèi) Spice 工具的電容器公司。7這些 Spice 工具允許我們繪制電容器的實(shí)際性能圖表。他們兩個(gè)網(wǎng)站上的應(yīng)用說明也非常有用。

另請(qǐng)參閱：
無源元件并非真的那么無源（第 2 部分）：電阻器
無源元件并非真的那么無源（第 3 部分）：印刷電路板

我的第一次浸水體驗(yàn)很愉快，不像我第一次測(cè)量電力變壓器的體驗(yàn)。

當(dāng)我還是個(gè)青少年的時(shí)候，當(dāng)?shù)氐摹盎鹜取辈僮鲉T（二十世紀(jì)中葉業(yè)余無線電愛好者的術(shù)語——我是不是暴露了我太多的年齡？）在他的車庫(kù)里修理電視機(jī)。我從他那里學(xué)到了很多東西，有些是通過實(shí)際演示。他有一個(gè)斷開的電源變壓器，長(zhǎng)凳上放著裸露的導(dǎo)線。他建議我可以在同一個(gè)工作臺(tái)上用歐姆表測(cè)量電阻。天真地，我抓住了兩個(gè)探頭，把每個(gè)探頭捏在一根裸線上。勁！即使儀表僅由 3V 供電，感應(yīng)反沖也足以讓我記住不要再這樣做了。

當(dāng)談到浸泡時(shí)，他很同情我。（他希望我記住，而不是殺了我。）這一次，他像 Bob Pease 那樣將 CRT 接地，然后向我展示幾分鐘后剩余的電荷。然后我也這樣做了，并且對(duì)充電保持多長(zhǎng)時(shí)間感到驚訝 - 它似乎永遠(yuǎn)持續(xù)下去。（我想過了一會(huì)兒，我只是因?yàn)闊o聊而停止嘗試。） Keith Snook 8繼續(xù) DA 討論。這是一個(gè)值得更多關(guān)注的偉大課題。

答案是我們所學(xué)到的固有知識(shí)：我們永遠(yuǎn)無法為電容器完全充電，除非我們等待無窮大。當(dāng)電壓為總施加電壓的 99.3% 時(shí)，大多數(shù)電路在經(jīng)過五個(gè)時(shí)間常數(shù)后被認(rèn)為已實(shí)際充電。當(dāng)電容器放電時(shí)，反之亦然。在 CRT 以高壓?jiǎn)?dòng)的情況下，它會(huì)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)出痛苦的電擊。