無(wú)源元件并非真的“無(wú)源”：第1部分——電容

　　引言

　　有源元件和無(wú)源元件——在工程設計領(lǐng)域真的是非白即黑嗎？

　　晶體管和集成電路由于利用來(lái)自電源的能量改變信號，所以被認為是有源元件?；谶@個(gè)依據，我們將電容、電阻、電感、連接器，甚至是印刷電路板（PCB）稱(chēng)為無(wú)源元件，因為它們看起來(lái)不耗電。然而，由于無(wú)源元件均具有寄生參數，它們實(shí)際上也會(huì )以不可預知的方式改變信號。所以，許多所謂的無(wú)源元件并非真的“無(wú)源”。本文分為3部分，這里為第1部分，專(zhuān)注于討論電容的有源特性。

　　并非完全無(wú)源的電容

　　無(wú)源可定義為惰性和/或不活躍，但無(wú)源電子元件會(huì )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(shí)際上是不存在的。所有電容在本質(zhì)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(jìn)一步觀(guān)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。并聯(lián)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，并影響采樣-保持電路的保持能力2。等效串聯(lián)電阻（ESR）則會(huì )降低電容抑制紋波和通過(guò)高頻信號的能力，因為等效串聯(lián)電感（ESL）形成諧振電路（即自諧電路）。這意味著(zhù)，在自諧頻率以上時(shí)，電容呈現為電感，不再具備電源與地之間的高頻噪聲去耦作用。電容介質(zhì)可能是壓電介質(zhì)，增加振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲 （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(lián)寄生二極管（未繪出），這些二極管會(huì )對高頻信號進(jìn)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(shí)，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范圍為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(shí)驗室內部的簡(jiǎn)單連接。將看起來(lái)較小的失調增益乘以1000，就達到1.7mV——這是我們尚未實(shí)際開(kāi)始操作就存在的。

　　SB2和SB3可能是電容內部連接引線(xiàn)的箔，或連接至焊盤(pán)或表貼元件焊料的金屬化物。SB1和SB4表示器件通過(guò)焊料到PCB銅線(xiàn)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(wú)鉛焊料成分變化很大，會(huì )影響電容附近的電壓，所以必須查詢(xún)合金成分。

　　可對介質(zhì)吸收（DA）或Bob Pease所稱(chēng)的“滲透”進(jìn)行建模，等效為無(wú)數個(gè)RC時(shí)間常數：DA1至DAINFINITY，其中每個(gè)時(shí)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(shí)例，本文附錄中介紹了一段關(guān)于吸收的有趣經(jīng)歷。

　　“如果您關(guān)閉彩色電視機，然后打開(kāi)后蓋，那么在您開(kāi)始操作之前首先必須要做的是什么？在螺絲刀上連接一條地線(xiàn)，然后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(jīng)放電了，如果讓這一過(guò)程持續大約10分鐘，那么有多少電壓將“滲透”回顯像管的“電容”？當您第二次放電時(shí)，足以造成可見(jiàn)的電弧這就是我所說(shuō)的介質(zhì)吸收5。”

　　由此可見(jiàn)，電容會(huì )隨著(zhù)作用電壓的改變而改變。然后再加上老化、溫度的影響，以及其它可能造成電容器物理?yè)p壞的眾多因素6，這種簡(jiǎn)單的無(wú)源元件就變得非常復雜。

　　現在，我們應該討論一下與自激有關(guān)的因素，這是去耦電容以及接地不良的電容最常見(jiàn)的問(wèn)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(guò)孔也會(huì )產(chǎn)生一定的影響。工作在射頻頻段時(shí)，這些過(guò)孔將影響小電容的自激點(diǎn)。以圖2為例，討論了1µF電容的曲線(xiàn)。

　　圖2. 三個(gè)電容的自激頻率（曲線(xiàn)的最低點(diǎn)），圖示表明，電容的性能并不完全一致。在左側，當曲線(xiàn)（阻抗）向下移動(dòng)時(shí)，電容表現為電容。當達到其最低點(diǎn)時(shí)，電容呈現為電感（ESL），不再是有效的去耦電容。

　　1µF曲線(xiàn)在4.6MHz時(shí)達到最小，高于該頻率時(shí)，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(chēng)為一個(gè)雙向導體：對于電源總線(xiàn)上的高頻信號而言，電源線(xiàn)與地短接，反之亦然。電容模糊了電源和地之間的差異。

　　隨著(zhù)對信號頻率和電容的深入考察，我們可能忘記了所產(chǎn)生的諧波或邊帶。例如，一個(gè)50MHz方波的SPI時(shí)鐘，具有無(wú)限次的奇次諧波。大多數系統（并非所有系統）會(huì )忽略5次以上的諧波，因為這些諧波的能量已經(jīng)非常低，在噪底以下。如果諧波在半導體器件中經(jīng)過(guò)整流，仍可造成負面的影響，因為它們會(huì )轉換成新的低頻干擾。

　　控制生產(chǎn)誤差

　　從圖2可以看出，電容在生產(chǎn)過(guò)程中存在不一致的問(wèn)題。一般而言，高質(zhì)量電容的重復性非常好，而一些廉價(jià)電容則會(huì )受成本控制而存在較大的生產(chǎn)誤差。有些廠(chǎng)商按照嚴格的誤差等級或標準篩選電容（圖3），并收取高額費用。這對用于設置系統時(shí)間或頻率的電容并不適合。

　　圖3. 生產(chǎn)誤差等級或篩選，會(huì )以不同方式影響電容性能。

　　圖3中的實(shí)線(xiàn)（黑色）為一個(gè)好的生產(chǎn)過(guò)程的標準方差，盡管該圖在Maxim Integrated應用筆記4301“零晶體管IC，IC設計領(lǐng)域的又一里程碑” 中用于表示電阻特性，但也同樣適用于電容。當生產(chǎn)誤差變化時(shí)，每個(gè)“盒子”內的器件數量也隨之變化。誤差曲線(xiàn)可向右移動(dòng)（綠色虛線(xiàn)），結果是沒(méi)有符合1% 容限的元件；統計概率也可以是雙峰曲線(xiàn)（灰色虛線(xiàn)），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。

　　從分布特性看，“似乎”能夠保證2%容限的元件只有-1到-2，或+1到+2 （沒(méi)有滿(mǎn)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(lái)”和“好像”是因為銷(xiāo)售量、人為因素也會(huì )影響分配比例。例如，工廠(chǎng)經(jīng)理可能急需發(fā)貨5%容限的電容，但又沒(méi)有足夠的產(chǎn)品滿(mǎn)足本月的需求。而庫房又存放了過(guò)多的2%容限元件。于是，他將這些元件劃分到5%容限的“盒子”里，然后發(fā)貨。很容易解決了上述問(wèn)題，人為干預（也確實(shí)這么做了）會(huì )“歪曲”統計數據和方法。

　　這樣做對于無(wú)源電容意味著(zhù)什么？我們必須了解所預期容限，比如±5%，其統計分布可能在±2%中心位置有一個(gè)缺口。電容用于控制關(guān)鍵頻率或定時(shí)，我們需要預先考慮到這點(diǎn)。這也意味著(zhù)我們需要規劃，通過(guò)校準來(lái)修正較寬變化范圍。

　　焊接對無(wú)源器件性能的影響

　　焊接會(huì )對電容造成應力，尤其是表貼元件。應力將隨著(zhù)振動(dòng)產(chǎn)生壓電電壓，甚至損害電容，存在系統故障隱患。

　　大家對回流焊流程并不陌生，液體焊料的表面張力使元件整齊排列滾動(dòng)，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(chǎng)看到過(guò)，電容像墓碑一樣單腳直立？如果焊料溫度變化出現問(wèn)題，既有可能引發(fā)這種情況。請務(wù)必遵守制造商的焊接建議。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(jìn)行焊接。首先用高熔點(diǎn)焊料對電路中的大多數元件進(jìn)行焊接，然后再用低溫焊接“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(huì )隨后“溶化”掉。

　　總結

　　當我們討論電容等無(wú)源元件時(shí)，必須注意這些元件均具有寄生效應，從改變了信號。當然，這種影響取決于信號強度。當測量微伏級信號時(shí)，需要謹慎考慮以下因素：接地（星形連接點(diǎn)）、屏蔽去耦電容、保護線(xiàn)、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噪聲干擾或信號時(shí)，將不得不考慮這些因素。

　　注意，無(wú)源電容不僅僅是一個(gè)無(wú)源元件，要比表面看起來(lái)“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范都會(huì )對電路產(chǎn)生微妙的影響，從而影響器件性能。了解到這一點(diǎn)，我們還需要理解電容器的累積誤差。在本文的后續部分，我們還將討論其它類(lèi)型的無(wú)源元件：電阻、電位器、開(kāi)關(guān)，甚至是不引人注意的PCB。

　　最后，AVX和Kemet電容器廠(chǎng)商給出了電容的寄生參數，并提供免費的Spice工具7。我們可以利用這些Spice工具繪制電容的實(shí)際性能，也可參考這些公司網(wǎng)站的應用筆記獲取有價(jià)值的信息。