無源器件中的電容器詳解

晶體管和集成電路等有源元件利用來自電源的能量改變信號。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——或者這樣假設。然而，無源元件實際上可以而且確實以意想不到的方式改變信號，因為它們都包含寄生元件。本文討論寄生電容。

介紹

有源元件和無源元件——工程設計真的是非黑即白的嗎？

晶體管和集成電路被認為是有源元件，因為它們利用來自電源的能量改變信號。同時，我們將電容器、電阻器、電感器、連接器甚至 PC 板 （PCB） 等組件稱為無源元件，因為它們似乎不消耗功率。然而，這些明顯的無源元件可以并且確實以意想不到的方式改變信號，因為它們都包含寄生部分。因此，事實上，許多所謂的無源組件并不是那么被動。本文將探討電容器的有源作用。

不那么無源的電容器

被動可以定義為惰性和/或非主動。但無源電子元件可能會以意想不到的方式成為電路的有源部分。因此，根本不存在純電容電容器。所有電容器本質上都有寄生元件（圖 1）。

圖1.電容器（C）及其最大的寄生元件。

讓我們仔細看看圖1中的有源寄生元件。標有“C”的電容器是我們希望看到的一件事;其余所有組件都是不需要的寄生效應。1并聯電阻，RL，會導致直流泄漏，從而改變有源電路的偏置電壓，破壞濾波器中的Q因數，并破壞采樣保持電路的保持能力。2等效串聯電阻（ESR）降低了電容器減少紋波和傳遞高頻信號的能力，因為等效串聯電感（ESL）會產生調諧電路（即具有自諧振的電路）。這意味著在自諧振頻率以上，電容器看起來是感性的，并且不能再將高頻噪聲從電源解耦到地。電介質可以是壓電的，增加振動（AC）產生的噪聲，這看起來像C電容器內的電池（未繪制）。冷卻焊料應力產生的壓電效應會改變電容器的值。極化電解電容器也可以串聯寄生二極管（未繪制），這些二極管可以整流高頻信號并改變偏置或增加不必要的失真。

小型電池SB1通過SB4指示塞貝克交匯點3其中不同的金屬（寄生熱電偶）產生電壓源。當我們連接測試設備時，我們需要考慮普通連接器的塞貝克效應。附錄J，Jim Williams應用筆記中的圖J54結果表明，成對的BNC和香蕉連接器的熱電勢范圍為0.07μV/°C至1.7μV/°C。 這種差異只是為了在實驗室中進行的簡單連接。將這個看似很小的失調增益乘以一千，我們就得到了1.7mV——這是在我們真正做任何富有成效的事情之前。

某人2和 SB3可能位于電容器內部，箔連接到引線，或者金屬化連接到表面貼裝部件中的電鍍或焊料。 SB1和 SB4指示從零件通過焊料到銅PCB走線的結點。焊料曾經是簡單的63%鉛和37%錫。但是今天人們不得不問合金的含量，因為無鉛RoHS焊料可能會有很大差異并影響電容器周圍的電壓。

介電吸收，DA，或Bob Pease所說的“浸泡”，可以建模為無限數量的不同RC時間常數，DA1通過 DA無限.這些時間常數中的每一個都由一個電阻R組成大和電容器 C大。

“好吧，如果你關掉彩電并打開背面，在你開始工作之前，你必須做的第一件事是什么？將接地帶放在螺絲刀上，然后伸到高壓插頭上的橡膠護罩下方以排出 CRT。好了，既然電容已經放電了，如果讓它靜置10分鐘左右，多少電壓會“浸泡”回顯像管的“電容”中？當你第二次放電時，足以形成一個可見的弧線......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損壞的多種方式，6而這個簡單的無源元件變得更加復雜。

現在我們應該談談自諧振，這是去耦電容和接地不良最常見的電容問題。如果接地較差，則沒有電容器可以完成其工作。電容自諧振主要由圖1所示的ESL效應決定。但也不要低估PCB過孔的影響.在無線電頻率下，這些過孔會影響小電容器的自諧振點。檢查圖2并專注于1μF曲線。

圖2.三個電容器的自諧振（圖表上的最低點）。圖表顯示，電容器的性能并不完全相同。在左側，當走線（阻抗）向下移動時，電容器充當電容器。但是，當它們達到最低點并向上啟動時，它們會成為電感器（ESL），不再有效地作為去耦電容器。

1μF走線的最小頻率為4.6MHz。高于該頻率，ESL占主導地位，電容器像電感器一樣工作。這說明，去耦電容是高頻的雙向導管：電源總線上的高頻與地共享，反之亦然。電容器均勻化電源和接地之間的差異。

更多地考慮信號頻率和電容器，我們可能會忘記我們產生的諧波或邊帶。例如，一個真正的50MHz方波SPI時鐘將具有無窮大的奇次諧波。大多數系統（但并非所有系統）都可以忽略五次諧波以上的諧波，因為能量太低，低于本底噪聲。但是，如果諧波在半導體中被整流并可能轉化為新的低頻干擾，它們仍然會引起問題。

操縱制造公差

圖2顯示，并非所有電容都是平等的。一般來說，高質量的電容器是相當可重復的，而一些廉價的電容器可以用較大的制造公差換取更低的成本。一些制造商“裝箱”（圖3）或選擇具有嚴格容差的電容器，這些電容器將以高價出售。如果該電容器用于設置系統中的時間或頻率，則可能是有害的。

圖3.制造公差的分箱或排序以不同的方式影響電容器性能。

圖3中的實線（黑色）曲線是良好制造工藝的標準偏差。雖然我們在Maxim Integrated的應用筆記4301“零晶體管IC，IC設計的新平臺”中用了這張電阻圖，但數據同樣適用于電容。隨著制造公差的移動，每個料箱中的零件數量會發生變化。公差可以向右移動（綠色虛線），導致在 1% 公差下沒有屈服。它可以是雙峰（灰色虛線），具有許多 5% 和 10% 公差部件以及少量 1% 和 2% 公差部件。

分箱“似乎”確保 2% 公差部分僅從負 1 到負 2 和正 1 到正 2（即沒有 1% 的部分）。它還“似乎”從 1% 的箱中移除任何 2% 和 5% 公差零件。我們說“似乎”和“似乎”是因為銷量和人性也會影響這種組合。例如，工廠可能需要運送 5% 容差的電容器，但他沒有足夠的電容器來滿足本月的需求。然而，他確實有過多的2%公差零件。所以，這個月他把它們扔進5%的垃圾箱，然后發貨。顯然，人為干預可以而且確實會扭曲統計數據和方法。

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

焊接如何影響被動性能

焊接會在電容器中引入應力，尤其是在表面貼裝部件中。這種應力會導致壓電電壓振動，甚至使電容器破裂，使其以后失效。

看到適當的回流焊接令人印象深刻。熔化焊料的表面張力使零件像變魔術一樣旋轉成對準。但較差的焊接溫度曲線確實會損壞器件。你見過電容器像墓碑一樣豎立在一端嗎？如果焊接溫度斜坡錯誤，則可能會發生這種情況.始終遵循制造商的焊接輪廓建議。某些組件對溫度更敏感， 因此電路板組裝可能需要兩個或多個具有不同熔化溫度的焊料.電路中的大多數元件首先用最高熔點焊料焊接，然后在較低溫度下焊接任何“敏感”元件。焊料必須以正確的順序使用，以便那些在工藝早期焊接的部件不會在以后脫焊。

總結

當我們談到電容器等無源器件時，我們必須記住，這些設備都包含可以改變信號的寄生部分。當然，其影響取決于信號強度。如果我們想測量微伏，那么一切都很重要：接地（星點）、屏蔽去耦電容器、防護、布局、塞貝克效應、電纜結構和焊接連接器。我們的原理圖通常會掩蓋這一點，在我們尋找小噪聲或電壓之前，這是可以接受的。

請記住，無源電容器只是一個組件，實際上比看起來更有源性。元件寄生效應、公差、校準、溫度、老化，甚至組裝方法和實踐都會產生微妙的影響，這些都會影響器件的性能。知道了這一點，我們需要了解許多電容器可能累積的潛在誤差。

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