有源元件和無(wú)源元件——在工程設(shè)計(jì)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(hào)，所以被認(rèn)為是有源元件?；谶@個(gè)依據(jù)，我們將電容、電阻、電感、連接器，甚至是印刷電路板(PCB)稱為無(wú)源元件，因?yàn)樗鼈兛雌饋?lái)不耗電。然而，由于無(wú)源元件均具有寄生參數(shù)，它們實(shí)際上也會(huì)以不可預(yù)知的方式改變信號(hào)。所以，許多所謂的無(wú)源元件并非真的“無(wú)源”。本文將專注于討論電容的有源特性。

 

 

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(yù)知的方式成為有源電路的一部分。所以，純?nèi)菪噪娙輰?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)一步觀察圖1所示寄生元件。標(biāo)有“C”的電容是我們的考察對(duì)象，其它所有元件則是不希望存在的寄生元件。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。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(hào)的能力，因?yàn)榈刃Т?lián)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(shí)，電容呈現(xiàn)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(nèi)部嵌入了電池(未繪出)。冷焊應(yīng)力造成的壓電效應(yīng)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(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行整流，改變偏置或增大信號(hào)失真。

 

較小的電池SB1至SB4表示塞貝克(Seebeck)結(jié)，是由不同金屬(寄生熱電偶)在此形成的電壓源。當(dāng)我們連接測(cè)試設(shè)備時(shí)，需要考慮共用連接器的塞貝克效應(yīng)。Jim Williams在參考文獻(xiàn)4中指出，BNC和橡膠插頭連接器對(duì)的熱電勢(shì)范圍為0.07μV/℃至1.7μV/℃。這一變化只適合我們?nèi)粘Ｔ趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)部的簡(jiǎn)單連接。將看起來(lái)較小的失調(diào)增益乘以1000，就達(dá)到1.7mV——這是我們尚未實(shí)際開始操作就存在的。

SB2和SB3可能是電容內(nèi)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(guò)焊料到PCB銅線的結(jié)。以往的焊料是63%的鉛和37%的錫，但現(xiàn)在使用的符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛焊料成分變化很大，會(huì)影響電容附近的電壓，所以必須查詢合金成分。

 

可對(duì)介質(zhì)吸收(DA)或Bob Pease所稱的“滲透”進(jìn)行建模，等效為無(wú)數(shù)個(gè)RC時(shí)間常數(shù)：DA1至DAINFINITY，其中每個(gè)時(shí)間常數(shù)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(jī)，然后打開后蓋，那么在您開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，然后接觸高壓插頭上的橡膠墊圈下方，對(duì)CRT放電。那好，現(xiàn)在電容已經(jīng)放電了，如果讓這一過(guò)程持續(xù)大約10分鐘，那么有多少電壓將“滲透”回顯像管的“電容”？當(dāng)您第二次放電時(shí)，足以造成可見的電弧....這就是我所說(shuō)的介質(zhì)吸收。”

由此可見，電容會(huì)隨著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，這種簡(jiǎn)單的無(wú)源元件就變得非常復(fù)雜。

 

現(xiàn)在，我們應(yīng)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(dāng)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。
 

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

 

1μF曲線在4.6MHz時(shí)達(dá)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(xiàn)為電感。由此，去耦電容在高頻下稱為一個(gè)雙向?qū)w：對(duì)于電源總線上的高頻信號(hào)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(duì)信號(hào)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(shù)系統(tǒng)(并非所有系統(tǒng))會(huì)忽略5次以上的諧波，因?yàn)檫@些諧波的能量已經(jīng)非常低，在噪底以下。如果諧波在半導(dǎo)體器件中經(jīng)過(guò)整流，仍可造成負(fù)面的影響，因?yàn)樗鼈儠?huì)轉(zhuǎn)換成新的低頻干擾。

 

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(fù)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。有些廠商按照嚴(yán)格的誤差等級(jí)或標(biāo)準(zhǔn)篩選電容(圖3)，并收取高額費(fèi)用。這對(duì)用于設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間或頻率的電容并不適合。
 

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

 

圖3中的實(shí)線(黑色)為一個(gè)好的生產(chǎn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)方差，盡管該圖在Maxim Integrated應(yīng)用筆記4301“零晶體管IC，IC設(shè)計(jì)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(dāng)生產(chǎn)誤差變化時(shí)，每個(gè)“盒子”內(nèi)的器件數(shù)量也隨之變化。誤差曲線可向右移動(dòng)(綠色虛線)，結(jié)果是沒有符合1%容限的元件；統(tǒng)計(jì)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(shù)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(lái)”和“好像”是因?yàn)殇N售量、人為因素也會(huì)影響分配比例。例如，工廠經(jīng)理可能急需發(fā)貨5%容限的電容，但又沒有足夠的產(chǎn)品滿足本月的需求。而庫(kù)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(yù)(也確實(shí)這么做了)會(huì)“歪曲”統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和方法。

 

這樣做對(duì)于無(wú)源電容意味著什么？我們必須了解所預(yù)期容限，比如±5%，其統(tǒng)計(jì)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(yù)先考慮到這點(diǎn)。這也意味著我們需要規(guī)劃，通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)修正較寬變化范圍。

 

焊接會(huì)對(duì)電容造成應(yīng)力，尤其是表貼元件。應(yīng)力將隨著振動(dòng)產(chǎn)生壓電電壓，甚至損害電容，存在系統(tǒng)故障隱患。

 

大家對(duì)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(xiàn)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(xiàn)問(wèn)題，既有可能引發(fā)這種情況。請(qǐng)務(wù)必遵守制造商的焊接建議。有些元件對(duì)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(duì)電路中的大多數(shù)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。

 

 

當(dāng)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(yīng)，從改變了信號(hào)。當(dāng)然，這種影響取決于信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)測(cè)量微伏級(jí)信號(hào)時(shí)，需要謹(jǐn)慎考慮以下因素：接地(星形連接點(diǎn))、屏蔽去耦電容、保護(hù)線、布局、塞貝克效應(yīng)、電纜結(jié)構(gòu)，以及連接器。我們的原理圖上往往忽略了這些因素，但當(dāng)我們排查微弱的噪聲干擾或信號(hào)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(zhǔn)、溫度、老化，甚至組裝方法和操作規(guī)范都會(huì)對(duì)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。