无源器件并不是真的那么无源（第 1 部分）：电容器

摘要： 晶体管和集成电路等有源元件使用来自电源的能量来改变信号。相反，电阻器、电容器、电感器和连接器等无源元件不消耗功率——或者我们愿意假设。然而，无源元件实际上可以并且确实以意想不到的方式改变信号，因为它们都包含寄生元件。本应用笔记是 3 部分系列的第一篇，讨论了寄生电容。

另请参阅：
无源元件并非真的如此无源
第 2 部分：电阻器
第 3 部分：印刷电路板

有源元件和无源元件——工程设计真的是非黑即白吗？

晶体管和集成电路被认为是有源元件，因为它们使用来自电源的能量来改变信号。同时，我们将电容器、电阻器、电感器、连接器甚至 PC 板 (PCB) 等组件称为无源组件，因为它们似乎不消耗功率。然而，这些明显的无源元件可以并且确实以意想不到的方式改变信号，因为它们都包含寄生部分。所以，事实上，许多所谓的无源元件并不是那么无源。在本应用笔记（关于无源器件的 3 部分系列的第 1 部分）中，我们着眼于电容器的有源作用。

被动可以定义为惰性和/或非活动。但是无源电子元件可以以意想不到的方式成为电路的有源部分。因此，根本不存在纯电容性电容器。所有电容器都固有地具有寄生元件（图 1）。

图 1. 电容器 (C) 及其最大的寄生元件。

让我们仔细看看图 1 中的有源寄生元件。标有“C”的电容器是我们希望看到的。所有其余的组件都是不需要的寄生。1并联电阻 R L会导致直流泄漏，这会改变有源电路的偏置电压，破坏滤波器中的 Q 因子，并破坏采样保持电路的保持能力。2等效串联电阻 (ESR) 降低了电容器减少纹波和通过高频信号的能力，因为等效串联电感 (ESL) 会创建一个调谐电路（即具有自谐振的电路）。这意味着在自谐振频率以上，电容看起来是电感性的，不能再将高频噪声从电源到地去耦。电介质可以是压电的，会增加振动 (AC) 产生的噪声，这看起来就像 C 电容器内的电池（未绘制）。冷却焊料应力的压电效应可以改变电容器的值。极化电解电容器也可以串联寄生二极管（未绘制），这些二极管可以对高频信号进行整流并改变偏置或增加不需要的失真。

小型电池 SB 1到 SB 4表示不同金属（寄生热电偶）产生电压源的塞贝克结3 。当我们连接我们的测试设备时，我们需要考虑常见连接器的塞贝克效应。附录 J，Jim Williams 应用笔记4中的图 J5显示，成对的 BNC 和香蕉连接器的热电势范围为 0.07µV/°C 至 1.7µV/°C。这种差异仅用于我们每天在实验室中进行的简单连接。将看似很小的偏移增益乘以 1000，我们得到 1.7mV——这是在我们实际做任何有成效的事情之前。

SB 2和 SB 3可以在电容器内部，其中箔连接到引线或金属化连接到表面贴装部件中的镀层或焊料。SB 1和 SB 4表示从部件通过焊料到铜 PCB 迹线的结点。焊料曾经是简单的 63% 铅和 37% 锡。但今天人们不得不询问合金的含量，因为无铅 RoHS 焊料变化很大，会影响电容器周围的电压。

介电吸收 DA 或 Bob Pease 所说的“浸泡”可以建模为无限数量的不同 RC 时间常数，DA 1到 DA INFINITY。这些时间常数中的每一个都由一个电阻器 R DA和一个电容器 C DA组成。Bob Pease 给了我们一些关于“浸泡”何时重要的实际例子，我记得附录中关于浸泡的有趣经历。

“嗯，如果你关掉你的彩电，打开后盖，在你开始工作之前，你要做的第一件事是什么？将接地带放在螺丝刀上，并伸到 HV 插头上的橡胶护罩下方，以使 CRT 放电。好的，既然电容已经放电了，如果让它静置约 10 分钟，多少电压会“吸收”回显像管的“电容”中？当你第二次放电时足以产生可见的电弧......现在这就是我所说的介电吸收。5

因此电容器可以随着施加的电压而改变电容。然后加上典型的老化、温度依赖性以及电容器可能受到物理损坏的多种方式，6这个简单的无源元件变得更加复杂。

现在我们应该谈谈自谐振，这是最常见的电容问题，与去耦电容和接地不良有关。如果接地不良，任何电容器都无法发挥作用。电容自谐振主要受图 1 所示 ESL 的影响。但也不要忽视 PCB 通孔的影响。在射频下，这些通孔会影响小电容器的自谐振点。检查图 2并专注于 1µF 曲线。

图 2. 三个电容器的自谐振（图中最低点）。图表显示电容器的性能并不完全相同。在左侧，随着迹线（阻抗）向下移动，电容器充当电容器。但是，当它们到达最低点并开始向上时，它们就变成了电感器 (ESL)，不再有效地用作去耦电容器。

1µF 迹线在 4.6MHz 处找到最小值。高于该频率，ESL 占主导地位，电容器像电感器一样工作。这告诉我们去耦电容是高频的双向管道：电源总线上的高频与地共享，反之亦然。电容器使电源和地之间的差异均匀化。

更多地考虑信号频率和电容器，我们可能会忘记我们创建的谐波或边带。例如，一个真正的 50MHz 方波 SPI 时钟将具有无穷大的奇次谐波。大多数系统（但不是所有系统）可以忽略高于五次谐波的谐波，因为能量非常低，低于本底噪声。但是，如果谐波在半导体中得到整流，并且可以转化为新的低频干扰，谐波仍然会引起问题。

图 2 显示并非所有电容器都是相同的。一般来说，高质量的电容器具有很高的可重复性，而一些便宜的电容器可以用较大的制造公差换取较低的成本。一些制造商“装箱”（图 3）或选择具有严格公差的电容器，从而以高价出售。如果该电容器用于设置系统中的时间或频率，这可能是有害的。

图 3. 制造公差的分级或分类以不同方式影响电容器性能。

图 3 中的实线（黑色）曲线是良好制造工艺的标准偏差。尽管我们在 Maxim Integrated 的应用笔记 4301“零晶体管 IC，IC 设计中的新平台”中使用了此图来表示电阻器，但数据同样适用于电容器。随着制造公差的变化，每个箱中的零件数量也会发生变化。容差可能会向右移动（绿色虚线），导致在 1% 容差下没有良率。它可以是双峰的（灰色虚线），具有许多 5% 和 10% 的公差部分和少数 1% 和 2% 的公差部分。

分箱“似乎”确保 2% 的公差零件仅从负 1 到负 2 和从正 1 到正 2（即没有 1% 的零件）。它还“似乎”从 5% 箱中删除了任何 1% 和 2% 的公差部分。我们说“似乎”和“似乎”是因为销量和人性也会影响组合。例如，工厂经理可能需要运送 5% 容差的电容器，但他没有足够的数量来满足本月的需求。然而，他确实有过多的 2% 公差零件。所以，这个月他把它们扔进 5% 的垃圾箱，然后发货。显然，人为干预可以而且确实会扭曲统计数据和方法。

这对我们的无源电容器意味着什么？我们必须了解，我们可能期望的公差，例如 ±5%，中间可能有一个 ±2% 的孔。如果电容器控制临界频率或时序，我们需要考虑到这一点。这也可能意味着我们需要计划通过校准来纠正更广泛的变化。

焊接会在电容器中引入应力，尤其是在表面贴装部件中。这种应力会导致压电电压振动，甚至使电容器破裂，从而导致后来失效。

看到正确的回流焊接令人印象深刻。熔化焊料的表面张力使零件像魔术一样旋转对齐。但糟糕的焊接温度曲线确实会损坏器件。你见过电容器像墓碑一样竖立在一端吗？如果焊料温度斜坡错误，就会发生这种情况。始终遵循制造商的焊接剖面建议。一些组件对温度更敏感，因此电路板组件可能需要两个或更多具有不同熔化温度的焊料。电路中的大多数元件首先用熔点最高的焊料焊接，然后任何“敏感”元件在较低温度下焊接。必须以正确的顺序使用焊料，以便在过程早期焊接的那些部件以后不会脱焊。

当我们谈到电容器之类的无源器件时，我们必须记住，这些器件都包含可以改变信号的寄生部分。当然，这种影响取决于信号强度。如果我们想测量微伏，那么一切都很重要：接地（星点）、屏蔽去耦电容器、防护、布局、塞贝克效应、电缆结构和焊接连接器。我们的原理图通常会忽略这一点，在我们寻找小噪声或电压之前，这是可以接受的。

请记住，无源电容器只是一个组件，实际上比看起来更活跃。组件寄生效应、容差、校准、温度、老化，甚至组装方法和实践都会影响器件的性能。知道了这一点，我们需要了解大量电容器可能累积的潜在错误。在这个 3 部分系列的未来应用笔记中，我们将讨论其他所谓的无源元件：电阻器、电位器、开关，以及令人惊讶的低 PCB。

最后，AVX 和 Kemet 是指定寄生元件并提供免费 Spice 工具的电容器公司。7这些 Spice 工具允许我们绘制电容器的实际性能图表。他们两个网站上的应用说明也非常有用。

另请参阅：
无源元件并非真的那么无源（第 2 部分）：电阻器
无源元件并非真的那么无源（第 3 部分）：印刷电路板

我的第一次浸水体验很愉快，不像我第一次测量电力变压器的体验。

当我还是个青少年的时候，当地的“火腿”操作员（二十世纪中叶业余无线电爱好者的术语——我是不是暴露了我太多的年龄？）在他的车库里修理电视机。我从他那里学到了很多东西，有些是通过实际演示。他有一个断开的电源变压器，长凳上放着裸露的导线。他建议我可以在同一个工作台上用欧姆表测量电阻。天真地，我抓住了两个探头，把每个探头捏在一根裸线上。劲！即使仪表仅由 3V 供电，感应反冲也足以让我记住不要再这样做了。

当谈到浸泡时，他很同情我。（他希望我记住，而不是杀了我。）这一次，他像 Bob Pease 那样将 CRT 接地，然后向我展示几分钟后剩余的电荷。然后我也这样做了，并且对充电保持多长时间感到惊讶 - 它似乎永远持续下去。（我想过了一会儿，我只是因为无聊而停止尝试。） Keith Snook 8继续 DA 讨论。这是一个值得更多关注的伟大课题。

答案是我们所学到的固有知识：我们永远无法为电容器完全充电，除非我们等待无穷大。当电压为总施加电压的 99.3% 时，大多数电路在经过五个时间常数后被认为已实际充电。当电容器放电时，反之亦然。在 CRT 以高压启动的情况下，它会长时间发出痛苦的电击。