諸如晶體管和集成電路之類(lèi)的有源組件會(huì)使用來(lái)自電源的能量來(lái)改變信號(hào)。相反，無(wú)源組件（如電阻器，電容器，電感器和連接器）不消耗功率，因此我們假設(shè)。但是，無(wú)源元件實(shí)際上可以并且確實(shí)會(huì)以意想不到的方式改變信號(hào)，因?yàn)樗鼈兌及纳煞帧１緫?yīng)用筆記是一個(gè)三部分系列的第一篇，討論了寄生電容。

引言

電容器是一種眾所周知的無(wú)源器件，它可以在電場(chǎng)中存儲(chǔ)能量。它用于電子電路中以阻止直流電并允許交流電通過(guò)，使電源的輸出平滑并穩(wěn)定電壓和功率流。由于涉及的應(yīng)用范圍很廣，因此明智的一步是進(jìn)一步了解電容器以及為什么將它們稱(chēng)為“非被動(dòng)”設(shè)備。

有源組件和無(wú)源組件-工程設(shè)計(jì)真的是黑白的嗎？

晶體管和集成電路被認(rèn)為是有源組件，因?yàn)樗鼈兪褂秒娫吹哪芰縼?lái)改變信號(hào)。同時(shí)，我們稱(chēng)電容器，電阻器，電感器，連接器，甚至PC板（PCB）等組件為無(wú)源，因?yàn)樗鼈兯坪醪幌墓β?。但是，這些顯然無(wú)源的組件可以并且確實(shí)以意想不到的方式改變信號(hào)，因?yàn)樗鼈兌及纳糠?。因此，?shí)際上，許多所謂的被動(dòng)組件并不是那么被動(dòng)。在本應(yīng)用筆記中，無(wú)源器件由3部分組成的系列的第1部分，我們將探討電容器的有源作用。

被動(dòng)電容器

可以定義為惰性和/或惰性。但是無(wú)源電子組件可能以意想不到的方式成為電路的有源部分。因此，根本不存在純粹為電容性的電容器。所有電容器固有地都具有寄生成分（圖1）。

電容器?及其最大的寄生元件。

讓我們仔細(xì)看一下圖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一件事。所有其他組件都是有害的寄生蟲(chóng)。并聯(lián)電阻RL會(huì)引起DC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。等效串聯(lián)電阻（ESR）降低了電容器減少紋波和傳遞高頻信號(hào)的能力，因?yàn)榈刃Т?lián)電感（ESL）產(chǎn)生了調(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，電容器看起來(lái)是電感性的，不再能夠?qū)⒏哳l噪聲從電源耦合到地面。電介質(zhì)可以是壓電的，會(huì)增加振動(dòng)（AC）產(chǎn)生的噪聲，看起來(lái)像是C電容器內(nèi)部的電池（未畫(huà)出）。冷卻焊料應(yīng)力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)會(huì)改變電容器的值。極化電解電容器還可以具有串聯(lián)的寄生二極管（未畫(huà)出），這些二極管可以整流高頻信號(hào)并改變偏置或增加不必要的失真。

小型電池SB1至SB4表示塞貝克結(jié)，不同的金屬（寄生熱電偶）在此建立電壓源。在連接測(cè)試設(shè)備時(shí)，我們需要考慮普通連接器的塞貝克效應(yīng)。Jim Williams應(yīng)用筆記中的附錄J，圖J5顯示，BNC和香蕉連接器對(duì)的熱電勢(shì)范圍為0.07μV /°C至1.7μV /°C。這種差異僅是我們每天在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的簡(jiǎn)單連接。將看似很小的失調(diào)增益乘以1000，我們就得到1.7mV的電壓，這是在我們實(shí)際進(jìn)行任何生產(chǎn)之前。

SB2和SB3可以在電容器內(nèi)部，在該電容器中，箔片連接到引線(xiàn)，或者金屬化層連接到表面安裝部件中的鍍層或焊料。SB1和SB4表示從零件通過(guò)焊料到PCB銅跡線(xiàn)的連接點(diǎn)。焊料曾經(jīng)是簡(jiǎn)單的63％鉛和37％錫。但是今天，人們不得不詢(xún)問(wèn)合金的含量，因?yàn)闊o(wú)鉛RoHS焊料會(huì)發(fā)生很大變化，并影響電容器周?chē)碾妷骸?/p>

介電吸收DA或Bob Pease所謂的“浸泡”可以建模為無(wú)數(shù)個(gè)不同的RC時(shí)間常數(shù)，DA1到DAINFINITY。這些時(shí)間常數(shù)均由電阻RDA和電容器CDA組成。鮑勃·皮斯（Bob Pease）為我們提供了一些有關(guān)“浸泡”時(shí)間的實(shí)際例子，我記得附錄中有關(guān)浸泡的有趣經(jīng)歷。

“好吧，如果您關(guān)閉彩電并打開(kāi)后蓋，那么在開(kāi)始進(jìn)行操作之前，您要做的第一件事是什么？將接地帶放在螺絲刀上，并伸到HV插頭上的橡膠套下方，以釋放CRT。好了，既然電容已經(jīng)放電，那么如果讓它靜置約10分鐘，它將有多少電壓“吸收”回顯像管的“電容”中？在第二次放電時(shí)，足以形成可見(jiàn)的電弧……現(xiàn)在這就是我所說(shuō)的介電吸收?！?/p>

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(lài)性以及電容器可能受到物理?yè)p壞的多種方式，這種簡(jiǎn)單的無(wú)源元件變得更加復(fù)雜。

現(xiàn)在，我們應(yīng)該說(shuō)一下自諧振，這是去耦電容器和不良接地最常見(jiàn)的電容器問(wèn)題。如果接地不良，電容器將無(wú)法發(fā)揮作用。電容自諧振受圖1所示的ESL的影響。但是，也不要忽視PCB過(guò)孔的影響。在射頻下，這些過(guò)孔會(huì)影響小型電容器的自諧振點(diǎn)。檢查圖2并集中在1μF曲線(xiàn)上。

三個(gè)電容器的自諧振（曲線(xiàn)上的最低點(diǎn)）。圖表顯示，電容器的性能并不完全相同。在走線(xiàn)（阻抗）向下移動(dòng)的左側(cè)，電容器充當(dāng)電容器。但是，當(dāng)它們到達(dá)最低點(diǎn)并向上啟動(dòng)時(shí)，它們將變成電感器（ESL），并且不再有效用作去耦電容器。

1μF走線(xiàn)在4.6MHz處發(fā)現(xiàn)最小值。在該頻率以上，ESL占主導(dǎo)地位，電容器的工作方式類(lèi)似于電感器。這告訴我們，去耦電容器是用于高頻的雙向管道：電源總線(xiàn)上的高頻與地面共享，反之亦然。電容器使電源和地之間的差異均勻。

考慮更多關(guān)于信號(hào)頻率和電容器的信息，我們可能會(huì)忘記所產(chǎn)生的諧波或邊帶。例如，實(shí)際的50MHz方波SPI時(shí)鐘將具有奇數(shù)諧波到無(wú)窮大。大多數(shù)系統(tǒng)，但不是所有系統(tǒng)，都可以忽略高于五次諧波的諧波，因?yàn)槟芰渴侨绱酥?，以至于低于本底噪聲。但是，如果諧波在半導(dǎo)體中被整流并且仍然可以轉(zhuǎn)化為新的低頻干擾，則仍然會(huì)引起問(wèn)題。

操縱制造公差

圖2顯示并非所有電容器都相等。通常，高質(zhì)量電容器具有很高的可重復(fù)性，而某些便宜的電容器可以以較大的制造公差換取較低的成本。一些制造商“裝箱”（圖3）或選擇容差嚴(yán)格的電容器，這些電容器將以高價(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，則可能是有害的。

合并或分類(lèi)制造公差會(huì)以不同方式影響電容器性能。

圖3中的實(shí)線(xiàn)（黑色）曲線(xiàn)是良好制造過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)偏差。盡管我們?cè)?a target="_blank">Maxim Integrated的應(yīng)用筆記4301“零晶體管IC，IC設(shè)計(jì)的新平臺(tái)”中將這一圖示用于電阻，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)料倉(cāng)中的零件數(shù)量也會(huì)發(fā)生變化。公差可能會(huì)向右移動(dòng)（綠色虛線(xiàn)），導(dǎo)致在1％的公差下沒(méi)有屈服。它可以是雙峰（灰色虛線(xiàn)），具有很多5％和10％的公差零件，而只有1％和2％的公差零件。

對(duì)“似乎”進(jìn)行裝箱，以確保2％公差范圍僅是從負(fù)1到負(fù)2以及從1到正2（即，沒(méi)有1％的部分）。它還“似乎”從5％裝箱中刪除了任何1％和2％公差的零件。我們說(shuō)“似乎”和“出現(xiàn)”是因?yàn)殇N(xiāo)量和人性也影響了兩者的組合。例如，工廠(chǎng)經(jīng)理可能需要裝運(yùn)5％公差的電容器，但他本月的需求不足。但是，他的容差部分確實(shí)過(guò)剩2％。因此，本月他將它們?nèi)拥?％的垃圾箱中并進(jìn)行裝運(yùn)。顯然，人為干預(yù)可以而且確實(shí)會(huì)歪曲統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和方法。

這對(duì)我們的無(wú)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％，中間可能會(huì)有±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(guò)校準(zhǔn)來(lái)校正更大的變化。

焊接如何影響無(wú)源性能
焊接會(huì)在電容器中，特別是在表面安裝零件中引入應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致壓電電壓產(chǎn)生振動(dòng)，甚至使電容器破裂，從而使電容器隨后失效。

看到正確的回流焊接令人印象深刻。熔化的焊料的表面張力使零件旋轉(zhuǎn)成對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，就好像靠魔術(shù)一樣。但是不良的焊料溫度曲線(xiàn)確實(shí)會(huì)損壞器件。您是否看到電容器像墓碑一樣豎立在一端？如果焊料溫度上升不正確，可能會(huì)發(fā)生這種情況。始終遵循制造商的焊料輪廓建議。一些組件對(duì)溫度更敏感，因此，電路板組件可能需要兩種或兩種以上熔點(diǎn)不同的焊料。首先用最高熔點(diǎn)的焊料焊接電路中的大多數(shù)組件，然后在較低溫度下焊接任何“敏感”組件。必須以正確的順序使用焊料，以免在過(guò)程中較早焊接的那些零件在以后不被焊接。

總結(jié)
當(dāng)我們談到諸如電容器之類(lèi)的無(wú)源器件時(shí)，我們必須記住，這些器件都包含可改變信號(hào)的寄生部分。當(dāng)然，其影響取決于信號(hào)強(qiáng)度。如果要測(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)，電纜構(gòu)造和焊接連接器。我們的原理圖通常對(duì)此有所掩飾，這在我們尋找小的噪聲或電壓之前是可以接受的。

請(qǐng)記住，無(wú)源電容器只是一個(gè)組件，而且實(shí)際上比它看起來(lái)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)產(chǎn)生細(xì)微的影響，這些都會(huì)影響設(shè)備的性能。知道了這一點(diǎn)，我們需要了解許多電容器可能累積的潛在誤差。在這個(gè)由3部分組成的系列的未來(lái)應(yīng)用筆記中，我們將討論其他所謂的無(wú)源組件：電阻器，電位計(jì)，開(kāi)關(guān)以及令人驚訝的低級(jí)PCB。

最后，AVX和Kemet是電容器公司，它們指定寄生元件并提供免費(fèi)的Spice工具。7這些Spice工具使我們能夠繪制電容器的實(shí)際性能圖。他們兩個(gè)網(wǎng)站上的應(yīng)用筆記也都非常有用。

編輯：hfy