无源器件中的电容器详解

晶体管和集成电路等有源元件利用来自电源的能量改变信号。相反，电阻器、电容器、电感器和连接器等无源元件不消耗功率——或者这样假设。然而，无源元件实际上可以而且确实以意想不到的方式改变信号，因为它们都包含寄生元件。本文讨论寄生电容。

介绍

有源元件和无源元件——工程设计真的是非黑即白的吗？

晶体管和集成电路被认为是有源元件，因为它们利用来自电源的能量改变信号。同时，我们将电容器、电阻器、电感器、连接器甚至 PC 板 （PCB） 等组件称为无源元件，因为它们似乎不消耗功率。然而，这些明显的无源元件可以并且确实以意想不到的方式改变信号，因为它们都包含寄生部分。因此，事实上，许多所谓的无源组件并不是那么被动。本文将探讨电容器的有源作用。

不那么无源的电容器

被动可以定义为惰性和/或非主动。但无源电子元件可能会以意想不到的方式成为电路的有源部分。因此，根本不存在纯电容电容器。所有电容器本质上都有寄生元件（图 1）。

图1.电容器（C）及其最大的寄生元件。

让我们仔细看看图1中的有源寄生元件。标有“C”的电容器是我们希望看到的一件事;其余所有组件都是不需要的寄生效应。1并联电阻，RL，会导致直流泄漏，从而改变有源电路的偏置电压，破坏滤波器中的Q因数，并破坏采样保持电路的保持能力。2等效串联电阻（ESR）降低了电容器减少纹波和传递高频信号的能力，因为等效串联电感（ESL）会产生调谐电路（即具有自谐振的电路）。这意味着在自谐振频率以上，电容器看起来是感性的，并且不能再将高频噪声从电源解耦到地。电介质可以是压电的，增加振动（AC）产生的噪声，这看起来像C电容器内的电池（未绘制）。冷却焊料应力产生的压电效应会改变电容器的值。极化电解电容器也可以串联寄生二极管（未绘制），这些二极管可以整流高频信号并改变偏置或增加不必要的失真。

小型电池SB1通过SB4指示塞贝克交汇点3其中不同的金属（寄生热电偶）产生电压源。当我们连接测试设备时，我们需要考虑普通连接器的塞贝克效应。附录J，Jim Williams应用笔记中的图J54结果表明，成对的BNC和香蕉连接器的热电势范围为0.07μV/°C至1.7μV/°C。 这种差异只是为了在实验室中进行的简单连接。将这个看似很小的失调增益乘以一千，我们就得到了1.7mV——这是在我们真正做任何富有成效的事情之前。

某人2和 SB3可能位于电容器内部，箔连接到引线，或者金属化连接到表面贴装部件中的电镀或焊料。 SB1和 SB4指示从零件通过焊料到铜PCB走线的结点。焊料曾经是简单的63%铅和37%锡。但是今天人们不得不问合金的含量，因为无铅RoHS焊料可能会有很大差异并影响电容器周围的电压。

介电吸收，DA，或Bob Pease所说的“浸泡”，可以建模为无限数量的不同RC时间常数，DA1通过 DA无限.这些时间常数中的每一个都由一个电阻R组成大和电容器 C大。

“好吧，如果你关掉彩电并打开背面，在你开始工作之前，你必须做的第一件事是什么？将接地带放在螺丝刀上，然后伸到高压插头上的橡胶护罩下方以排出 CRT。好了，既然电容已经放电了，如果让它静置10分钟左右，多少电压会“浸泡”回显像管的“电容”中？当你第二次放电时，足以形成一个可见的弧线......这就是我所说的介电吸收。5

因此，电容器可以随着施加的电压而改变电容。然后加上典型的老化、温度依赖性以及电容器可能受到物理损坏的多种方式，6而这个简单的无源元件变得更加复杂。

现在我们应该谈谈自谐振，这是去耦电容和接地不良最常见的电容问题。如果接地较差，则没有电容器可以完成其工作。电容自谐振主要由图1所示的ESL效应决定。但也不要低估PCB过孔的影响.在无线电频率下，这些过孔会影响小电容器的自谐振点。检查图2并专注于1μF曲线。

图2.三个电容器的自谐振（图表上的最低点）。图表显示，电容器的性能并不完全相同。在左侧，当走线（阻抗）向下移动时，电容器充当电容器。但是，当它们达到最低点并向上启动时，它们会成为电感器（ESL），不再有效地作为去耦电容器。

1μF走线的最小频率为4.6MHz。高于该频率，ESL占主导地位，电容器像电感器一样工作。这说明，去耦电容是高频的双向导管：电源总线上的高频与地共享，反之亦然。电容器均匀化电源和接地之间的差异。

更多地考虑信号频率和电容器，我们可能会忘记我们产生的谐波或边带。例如，一个真正的50MHz方波SPI时钟将具有无穷大的奇次谐波。大多数系统（但并非所有系统）都可以忽略五次谐波以上的谐波，因为能量太低，低于本底噪声。但是，如果谐波在半导体中被整流并可能转化为新的低频干扰，它们仍然会引起问题。

操纵制造公差

图2显示，并非所有电容都是平等的。一般来说，高质量的电容器是相当可重复的，而一些廉价的电容器可以用较大的制造公差换取更低的成本。一些制造商“装箱”（图3）或选择具有严格容差的电容器，这些电容器将以高价出售。如果该电容器用于设置系统中的时间或频率，则可能是有害的。

图3.制造公差的分箱或排序以不同的方式影响电容器性能。

图3中的实线（黑色）曲线是良好制造工艺的标准偏差。虽然我们在Maxim Integrated的应用笔记4301“零晶体管IC，IC设计的新平台”中用了这张电阻图，但数据同样适用于电容。随着制造公差的移动，每个料箱中的零件数量会发生变化。公差可以向右移动（绿色虚线），导致在 1% 公差下没有屈服。它可以是双峰（灰色虚线），具有许多 5% 和 10% 公差部件以及少量 1% 和 2% 公差部件。

分箱“似乎”确保 2% 公差部分仅从负 1 到负 2 和正 1 到正 2（即没有 1% 的部分）。它还“似乎”从 1% 的箱中移除任何 2% 和 5% 公差零件。我们说“似乎”和“似乎”是因为销量和人性也会影响这种组合。例如，工厂可能需要运送 5% 容差的电容器，但他没有足够的电容器来满足本月的需求。然而，他确实有过多的2%公差零件。所以，这个月他把它们扔进5%的垃圾箱，然后发货。显然，人为干预可以而且确实会扭曲统计数据和方法。

这对我们的无源电容器意味着什么？我们必须明白，我们可能期望的公差，例如±5%，中间可能有一个±2%的孔。如果电容器控制临界频率或时序，我们需要考虑到这一点。这也可能意味着我们需要计划通过校准来纠正更广泛的变化。

焊接如何影响被动性能

焊接会在电容器中引入应力，尤其是在表面贴装部件中。这种应力会导致压电电压振动，甚至使电容器破裂，使其以后失效。

看到适当的回流焊接令人印象深刻。熔化焊料的表面张力使零件像变魔术一样旋转成对准。但较差的焊接温度曲线确实会损坏器件。你见过电容器像墓碑一样竖立在一端吗？如果焊接温度斜坡错误，则可能会发生这种情况.始终遵循制造商的焊接轮廓建议。某些组件对温度更敏感， 因此电路板组装可能需要两个或多个具有不同熔化温度的焊料.电路中的大多数元件首先用最高熔点焊料焊接，然后在较低温度下焊接任何“敏感”元件。焊料必须以正确的顺序使用，以便那些在工艺早期焊接的部件不会在以后脱焊。

总结

当我们谈到电容器等无源器件时，我们必须记住，这些设备都包含可以改变信号的寄生部分。当然，其影响取决于信号强度。如果我们想测量微伏，那么一切都很重要：接地（星点）、屏蔽去耦电容器、防护、布局、塞贝克效应、电缆结构和焊接连接器。我们的原理图通常会掩盖这一点，在我们寻找小噪声或电压之前，这是可以接受的。

请记住，无源电容器只是一个组件，实际上比看起来更有源性。元件寄生效应、公差、校准、温度、老化，甚至组装方法和实践都会产生微妙的影响，这些都会影响器件的性能。知道了这一点，我们需要了解许多电容器可能累积的潜在误差。

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