堵住泄漏：当心电容器漏电！

最近，一位客户提出了令人费解的电路工作情况问题。

其电路使用一款运算放大器在极低频率下放大扩音器输出。他采用大型 (47 μF) AC 耦合电容器及高输入阻抗 (100 kΩ) 为其测量获得低转角频率。

遗憾的是，运算放大器输出端出现了几乎 1 伏特的大量 DC 失调。这是怎么回事？

我最喜欢的一句名言是丹麦物理学家 Niels Bohr 说过的：“专家就是在一个非常狭窄领域犯了所有可犯错误的人。”我觉得自己还不是一名专家，但这就是我犯过的一个错误。

图1

摘自 TI E2E 社区高精度放大器论坛的客户电路图
其运算放大器输出端出现了大量失调

看看图 1 中的客户原理图，C1 电容器值可为该失调源提供重要的线索。大型电容器（特别是电解质与钽质电容器）可能有极大的泄漏电流。这可导致在输入电阻器 R2 上产生电压，运算放大器会对其进行放大。

要知道泄漏电流来自哪里，我们先来看看电容器的基本结构。

图2

电容器的基本结构为两个间距为“d”的“A”面积电极板

图 2 中的电容器包括两个由一些绝缘物质（蓝色显示）隔开的电极板。该结构中的电容 C 可通过以下方程式计算：

该电容取决于：

1. 电介质 ε_r（ε_o为自由空间介电常数）的相对介电常数、
2. 电极“A”的面积以及
3. 他们的间距“d”。

该结构还会产生电阻：

电阻 R 由介电材料“ρ”的电阻系数以及电极面积及其间距决定。可惜没有完美的绝缘介电材料。实际上 Teflon 也只有 1•10²³至 1•10²⁵(Ωm) 的有限电阻系数。

R 被称为“绝缘电阻”，与电容并列。此外，提高电容的因素还会导致绝缘电阻的降低。为了说明这种趋势，我还针对几个额定 10 V 电解质电容器，绘制了绝缘电阻与电容的比值图。[1] 见图 3。

图3

在相等电压额定值下，电容器越大，电容器绝缘电阻越低

电容器的绝缘电阻通常取决于电容器的额定电压，但不是所有应用电压都一样。

因此，通过电容器的泄漏电流会因应用电压而发生极大的变化。[2]（见图 4）

图4

DC 泄漏在极大程度上取决于应用电压

通常，在 40% 的额定电压下，泄漏电流将降至其额定值的 10%，如图 4 所示。因此，既可提高电容器电压额定值，降低泄漏电流，也可转换至超低泄漏的电解化学类型。[3]

我通常采用聚丙烯薄膜电容器实现低泄漏耦合应用。如果我真正需要低泄漏，我就会去我同事 Thomas Kuehl 的办公室借真空电容器（图 5），尽管 47 μF 的真空电容器会很大！

图5

50 pF、20 kV 的真空电容器

在调试电路时，通常原理图上没有诸如耦合电容器绝缘电阻等组件，这就会带来问题。无源组件将在理想模式下工作的假设，只是我从我努力成为一名专家过程中了解到的众多错误之一。我不知道我的下一个错误将是什么。

参考资料：

[1]《招商简介》，Acacia Research 公司（2013 年 2 月）；

[2] 《具有导电聚合物的 SMD 固态铝电容器》，Vishay OS-CON，文件编号 90021，2012 年 8 月 28 日；

[3]《钽质电容器应用手册》，位于南卡罗来纳州格林威尔的 Kemet Electronics 公司；

[4] 作者：Williams, Tim，《电路设计人员手册》，位于 Burlington MA 的Elsevier ltd.，© 2005 年版权所有。

关于作者：John Caldwell 现任德州仪器高精度线性产品部应用工程师，主要负责为运算放大器与工业线性器件提供支持，专门从事针对传感器、低噪声设计及测量，以及电池干扰问题的高精度电路设计。John 毕业于弗吉尼亚理工学院，获电气工程学士学位及硕士学位，主攻生物电子与仪表研究。