无源元件并非真的“无源”之电容分析 印刷电路板, 连接器

苹果也疯狂

有源元件和无源元件
　　晶体管和集成电路由于利用来自电源的能量改变信号，所以被认为是有源元件。基于这个依据，我们将电容、电阻、电感、连接器，甚至是印刷电路板（PCB）称为无源元件，因为它们看起来不耗电。然而，由于无源元件均具有寄生参数，它们实际上也会以不可预知的方式改变信号。所以，许多所谓的无源元件并非真的“无源”。本文分为3部分，这里为第1部分，专注于讨论电容的有源特性。
当我们讨论电容等无源元件时，必须注意这些元件均具有寄生效应，从改变了信号。当然，这种影响取决于信号强度。当测量微伏级信号时，需要谨慎考虑以下因素：接地（星形连接点）、屏蔽去耦电容、保护线、布局、塞贝克效应、电缆结构，以及连接器。我们的原理图上往往忽略了这些因素，但当我们排查微弱的噪声干扰或信号时，将不得不考虑这些因素。
　　注意，无源电容不仅仅是一个无源元件，要比表面看起来“活跃”得多，寄生成分、误差、校准、温度、老化，甚至组装方法和操作规范都会对电路产生微妙的影响，从而影响器件性能。了解到这一点，我们还需要理解电容器的累积误差。
　　并非完全无源的电容
　　无源可定义为惰性和/或不活跃，但无源电子元件会以不可预知的方式成为有源电路的一部分。所以，纯容性电容实际上是不存在的。所有电容在本质上都存在一定的寄生成分（图1）。

　　图1. 电容（C）及其最大的寄生元件。
　　我们进一步观察图1所示寄生元件。标有“C”的电容是我们的考察对象，其它所有元件则是不希望存在的寄生元件1。并联电阻RL引起泄漏，从而改变有源电路的偏置电压、滤波器的Q因子，并影响采样-保持电路的保持能力2。等效串联电阻（ESR）则会降低电容抑制纹波和通过高频信号的能力，因为等效串联电感（ESL）形成谐振电路（即自谐电路）。这意味着，在自谐频率以上时，电容呈现为电感，不再具备电源与地之间的高频噪声去耦作用。电容介质可能是压电介质，增加振动产生的噪声 （AC），就好像电容C内部嵌入了电池（未绘出）。冷焊应力造成的压电效应可以改变电容值。压电电解电容也具有等效的串联寄生二极管（未绘出），这些二极管会对高频信号进行整流，改变偏置或增大信号失真。
　　较小的电池SB1至SB4表示塞贝克（Seebeck）结3，是由不同金属（寄生热电偶）在此形成的电压源。当我们连接测试设备时，需要考虑共用连接器的塞贝克效应。Jim Williams在参考文献4中指出，BNC和橡胶插头连接器对的热电势范围为0.07μV/°C至1.7μV/°C （附录J，图J5）。这一变化只适合我们日常在实验室内部的简单连接。将看起来较小的失调增益乘以1000，就达到1.7mV——这是我们尚未实际开始操作就存在的。
　　SB2和SB3可能是电容内部连接引线的箔，或连接至焊盘或表贴元件焊料的金属化物。SB1和SB4表示器件通过焊料到PCB铜线的结。以往的焊料是63%的铅和37%的锡，但现在使用的符合RoHS标准的无铅焊料成分变化很大，会影响电容附近的电压，所以必须查询合金成分。
　　可对介质吸收（DA）或Bob Pease所称的“渗透”进行建模，等效为无数个RC时间常数：DA1至DAINFINITY，其中每个时间常数由电阻RDA和电容CDA组成。Bob Pease列举了一些“渗透”非常重要的实例，本文附录中介绍了一段关于吸收的有趣经历。
　　“如果您关闭彩色电视机，然后打开后盖，那么在您开始操作之前首先必须要做的是什么？在螺丝刀上连接一条地线，然后接触高压插头上的橡胶垫圈下方，对CRT放电。那好，现在电容已经放电了，如果让这一过程持续大约10分钟，那么有多少电压将“渗透”回显像管的“电容”？当您第二次放电时，足以造成可见的电弧这就是我所说的介质吸收5。”
　　由此可见，电容会随着作用电压的改变而改变。然后再加上老化、温度的影响，以及其它可能造成电容器物理损坏的众多因素6，这种简单的无源元件就变得非常复杂。
　　现在，我们应该讨论一下与自激有关的因素，这是去耦电容以及接地不良的电容最常见的问题。如果接地不良，任何电容都不能正常工作。电容自激主要受图1所示ESL的影响，当然，PCB过孔也会产生一定的影响。工作在射频频段时，这些过孔将影响小电容的自激点。以图2为例，讨论了1μF电容的曲线。

　　图2. 三个电容的自激频率（曲线的最低点），图示表明，电容的性能并不完全一致。在左侧，当曲线（阻抗）向下移动时，电容表现为电容。当达到其最低点时，电容呈现为电感（ESL），不再是有效的去耦电容。
　　1μF曲线在4.6MHz时达到最小，高于该频率时，ESL占支配地位，电容的工作特性表现为电感。由此，去耦电容在高频下称为一个双向导体：对于电源总线上的高频信号而言，电源线与地短接，反之亦然。电容模糊了电源和地之间的差异。
　　随着对信号频率和电容的深入考察，我们可能忘记了所产生的谐波或边带。例如，一个50MHz方波的SPI时钟，具有无限次的奇次谐波。大多数系统（并非所有系统）会忽略5次以上的谐波，因为这些谐波的能量已经非常低，在噪底以下。如果谐波在半导体器件中经过整流，仍可造成负面的影响，因为它们会转换成新的低频干扰。

　　控制生产误差
　　从图2可以看出，电容在生产过程中存在不一致的问题。一般而言，高质量电容的重复性非常好，而一些廉价电容则会受成本控制而存在较大的生产误差。有些厂商按照严格的误差等级或标准筛选电容（图3），并收取高额费用。这对用于设置系统时间或频率的电容并不适合。

　　图3. 生产误差等级或筛选，会以不同方式影响电容性能。
　　图3中的实线（黑色）为一个好的生产过程的标准方差，尽管该图在Maxim Integrated应用笔记4301“零晶体管IC，IC设计领域的又一里程碑” 中用于表示电阻特性，但也同样适用于电容。当生产误差变化时，每个“盒子”内的器件数量也随之变化。误差曲线可向右移动（绿色虚线），结果是没有符合1% 容限的元件；统计概率也可以是双峰曲线（灰色虚线），得到较多的符合5%和10%容限的元件，而符合1%和2%容限的元件数量很少。
　　从分布特性看，“似乎”能够保证2%容限的元件只有-1到-2，或+1到+2 （没有满足1%容限的器件）；“好像”从5%容限的“盒子”里移除了1%和2%容限的器件。我们之所以用“看起来”和“好像”是因为销售量、人为因素也会影响分配比例。例如，工厂经理可能急需发货5%容限的电容，但又没有足够的产品满足本月的需求。而库房又存放了过多的2%容限元件。于是，他将这些元件划分到5%容限的“盒子”里，然后发货。很容易解决了上述问题，人为干预（也确实这么做了）会“歪曲”统计数据和方法。
　　这样做对于无源电容意味着什么？我们必须了解所预期容限，比如±5%，其统计分布可能在±2%中心位置有一个缺口。电容用于控制关键频率或定时，我们需要预先考虑到这点。这也意味着我们需要规划，通过校准来修正较宽变化范围。
　　焊接对无源器件性能的影响
　　焊接会对电容造成应力，尤其是表贴元件。应力将随着振动产生压电电压，甚至损害电容，存在系统故障隐患。
　　大家对回流焊流程并不陌生，液体焊料的表面张力使元件整齐排列滚动，好像被磁铁吸住一样。如果焊料的温度特性较差，则有可能损坏器件。您可能在现场看到过，电容像墓碑一样单脚直立？如果焊料温度变化出现问题，既有可能引发这种情况。请务必遵守制造商的焊接建议。有些元件对温度更为敏感，所以可能需要用两种或多种不同温度的焊料进行焊接。首先用高熔点焊料对电路中的大多数元件进行焊接，然后再用低温焊接“敏感”元件。必须以正确的顺序使用焊料，避免前期焊接的器件不会随后“溶化”掉。
　　最后，AVX和Kemet电容器厂商给出了电容的寄生参数，并提供免费的Spice工具7。我们可以利用这些Spice工具绘制电容的实际性能，也可参考这些公司网站的应用笔记获取有价值的信息。