有源元件和無源元件——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自電源的能量改變信號，所以被認為是有源元件?；谶@個依據(jù)，我們將電容、電阻、電感、連接器，甚至是印刷電路板(PCB)稱為無源元件，因為它們看起來不耗電。然而，由于無源元件均具有寄生參數(shù)，它們實際上也會以不可預知的方式改變信號。所以，許多所謂的無源元件并非真的“無源”。本文將專注于討論電容的有源特性。

 

 

無源可定義為惰性和/或不活躍，但無源電子元件會以不可預知的方式成為有源電路的一部分。所以，純?nèi)菪噪娙輰嶋H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。

 

我們進一步觀察圖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。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)則會降低電容抑制紋波和通過高頻信號的能力，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，在自諧頻率以上時，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)，這些二極管會對高頻信號進行整流，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(jié)，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，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/℃至1.7μV/℃。這一變化只適合我們?nèi)粘Ｔ趯嶒炇覂?nèi)部的簡單連接。將看起來較小的失調(diào)增益乘以1000，就達到1.7mV——這是我們尚未實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標準的無鉛焊料成分變化很大，會影響電容附近的電壓，所以必須查詢合金成分。

 

可對介質(zhì)吸收(DA)或Bob Pease所稱的“滲透”進行建模，等效為無數(shù)個RC時間常數(shù)：DA1至DAINFINITY，其中每個時間常數(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CRT放電。那好，現(xiàn)在電容已經(jīng)放電了，如果讓這一過程持續(xù)大約10分鐘，那么有多少電壓將“滲透”回顯像管的“電容”？當您第二次放電時，足以造成可見的電弧....這就是我所說的介質(zhì)吸收。”

由此可見，電容會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損壞的眾多因素，這種簡單的無源元件就變得非常復雜。

 

現(xiàn)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的問題。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過孔也會產(chǎn)生一定的影響。工作在射頻頻段時，這些過孔將影響小電容的自激點。以圖2為例，討論了1μF電容的曲線。
 

圖2. 三個電容的自激頻率(曲線的最低點)，圖示表明，電容的性能并不完全一致。在左側(cè)，當曲線(阻抗)向下移動時，電容表現(xiàn)為電容。當達到其最低點時，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時達到最小，高于該頻率時，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雙向?qū)w：對于電源總線上的高頻信號而言，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50MHz方波的SPI時鐘，具有無限次的奇次諧波。大多數(shù)系統(tǒng)(并非所有系統(tǒng))會忽略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)過整流，仍可造成負面的影響，因為它們會轉(zhuǎn)換成新的低頻干擾。

 

從圖2可以看出，電容在生產(chǎn)過程中存在不一致的問題。一般而言，高質(zhì)量電容的重復性非常好，而一些廉價電容則會受成本控制而存在較大的生產(chǎn)誤差。有些廠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(tǒng)時間或頻率的電容并不適合。
 

圖3. 生產(chǎn)誤差等級或篩選，會以不同方式影響電容性能。

 

圖3中的實線(黑色)為一個好的生產(chǎn)過程的標準方差，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，每個“盒子”內(nèi)的器件數(shù)量也隨之變化。誤差曲線可向右移動(綠色虛線)，結(jié)果是沒有符合1%容限的元件；統(tǒng)計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”和“好像”是因為銷售量、人為因素也會影響分配比例。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。而庫房又存放了過多的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題，人為干預(也確實這么做了)會“歪曲”統(tǒng)計數(shù)據(jù)和方法。

 

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

 

焊接會對電容造成應力，尤其是表貼元件。應力將隨著振動產(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，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)場看到過，電容像墓碑一樣單腳直立？如果焊料溫度變化出現(xiàn)問題，既有可能引發(fā)這種情況。請務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行焊接。首先用高熔點焊料對電路中的大多數(shù)元件進行焊接，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隨后“溶化”掉。

 

 

當我們討論電容等無源元件時，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，需要謹慎考慮以下因素：接地(星形連接點)、屏蔽去耦電容、保護線、布局、塞貝克效應、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，但當我們排查微弱的噪聲干擾或信號時，將不得不考慮這些因素。

 

注意，無源電容不僅僅是一個無源元件，要比表面看起來“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(guī)范都會對電路產(chǎn)生微妙的影響，從而影響器件性能。了解到這一點，我們還需要理解電容器的累積誤差。