ADI_Amy

32年前撰写,依然值得深读的文章——避开无源元件的陷阱

ADI_Amy 員工 在 2015-4-27 建立的討論區
最後回覆由linan於2015-8-31提供

这是发表在1983年《模拟对话》上的一篇文章,由今天的ADI院士Scott Wurcer及其同事Doug Grant撰写。32年,已经超过很多筒子的年龄,但里面的诸多观点依然值得大家一读。分享出来供大家参考,原文PDF下载请点击链接http://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-348_cn.pdf



假设您花费 25 美元或更多钱购买了一个精密运算放大器或数据转换器,插入电路板后,您却发现,器件与其技术规格不符。可能是电路受漂移影响,频率响应不佳,发生振荡,或者根本无法实现您期望的精度。不过,先不要抱怨器件本身,而应当先检查您的无源元件,包括电容、电阻、电位器,当然还有印刷电路板本身。容差、温度、寄生效应、老化以及用户组装过程的微妙影响,可能会在不经意间搞垮您的电路。而且,制造商常常对所有这些影响不加说明或语焉不详。一般而言,如果使用 12 位或更高分辨率的数据转换器,或者价格在5美元以上的运算放大器,则无源元件的选择尤其应当慎重。为了更好地说明这一问题,请考虑一个 12 位数模转换器(DAC)。半个LSB(最低有效位)对应于满量程的 0.012%,或百万分之 122 (ppm)!在各种无源元件的影响下,误差可能会快速累积,从而远远超过 122。

 

购买昂贵的无源元件并不一定能解决问题。很多情况下,如果选择得当,则利用 25 美分电容所实现的设计,可能比利用 8 美元的电容的设计性能更好、性价比更高。了解和分析无源元件的影响虽然并非易事,不过却是非常值得的;下面将介绍一些基本知识。


电容


大多数设计人员一般都很熟悉现有的各种电容。但是,电容种类繁多,包括玻璃电容、铝箔电容、固态钽和钽箔电容、银云母电容、陶瓷电容、特氟龙电容,以及聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚丙烯类型的薄膜电容等,因此精密电路设计中发生静态和动态误差的机制很容易被忘记。


1 显示了一个非理想电容的等效模型。电阻 Rp 代表绝缘电阻或泄漏,与标称电容 C 并联。第二个电阻 Rs(等效串联电阻或ESR)与该电容串联,代表引脚和电容器极板的电阻*。电感L(等效串联电感或 ESL)代表引脚和电容板的电感。最后,电阻Rda 和电容 Cda 一起构成电介质吸收现象的简化模型。无论是快速电路还是慢速电路,电介质吸收现象均可能会破坏其动态性能。

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1. 电容等效电路

电介质吸收


我们首先讨论电介质吸收,也称为“浸润”,有时也称为“电介质迟滞”,这可能是我们了解最少而潜在破坏性最高的一种电容效应。放电时,多数电容都不愿意放弃之前所拥有的全部电荷。图2 显示了这一效应。电容在时间 t 0 充电至 V 伏后,开关在时间 t1将电容短路。在时间 t 2,电容开路;残余电压在其引脚上缓慢积累,达到近乎恒定的值。此电压就是由“电介质吸收”引起的。

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2. 残余电压反映电容的电介质吸收现象


界定或测量电介质吸收的标准技术极为稀少。测量结果通常用电容上重复出现的原始充电电压的百分比表示。典型方法是:让电容充电 1 分钟以上,然后短路 1 10 秒的建立时间,最后让电容恢复约 1 分钟时间,再测量残余电压。

 

实际操作中,电介质吸收有多种表现形式,例如:积分器拒绝复位至 0,电压频率转换器表现出异常非线性,采样保持器表现出变化不定的误差。最后一种表现形式对于数据采集系统特别不利,因为相邻通道的电压差可能达到几乎满量程。图 3 显示了一个简单采样保持器所发生的情况。

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3. 电介质吸收在采样保持应用中引起误差


电介质吸收是电介质材料本身的特性,但低劣的制造工艺或电极材料也会影响此特性。电介质吸收特性用充电电压的百分比表示,对于特氟龙、聚苯乙烯和聚丙烯电容,该值低至 0.02%;对于一些铝电解电容,该值则高达 10% 或更大。在一定时间期限内,聚苯乙烯电容的电介质吸收率可以低至 0.002%

 

一般陶瓷和聚碳酸酯电容的典型电介质吸收率为 0.2%,这相当于8 位分辨率时的半个 LSB!银云母、玻璃和钽电容的电介质吸收率通常较大,介于 1.0% 5.0% 之间;聚酯电容的电介质吸收率为 0.5% 左右。一般而言,如果电容技术规格表没有说明所需时间期限和电压范围内的电介质吸收率,则应格外谨慎。

 

电介质吸收可以在快速建立电路的瞬态响应中产生长尾现象,例如高通有源滤波器或交流放大器。在此类应用所用的一些器件中,图 1 Rda-Cda 电介质吸收模型可能具有数毫秒的时间常数*。在快充快放应用中,电介质吸收与“模拟存储器”相似,电容试图记住以前的电压。


一些设计中,如果电介质吸收效应比较简单,易于确定,并且您愿意做一些微调,则可以对其进行补偿。例如在积分器中,可以通过合适的补偿网络反馈输出信号,通过并联一个负阻抗来抵消电介质吸收等效电路。已经证明,这种补偿方法可以将采样保持电路的性能提高 10 倍或更多。


寄生效应和损耗因数

 

1中,电容的泄漏电阻 Rp、有效串联电阻 Rs 和有效串联电感 L是寄生元件,可能会降低外部电路的性能。一般将这些元件的效应合并考虑,定义为损耗因素或 DF

 

电容的泄漏是指施加电压时流过电介质的微小电流。虽然模型中表现为与电容并联的简单绝缘电阻 (Rp),但实际上泄漏与电压并非线性关系。制造商常常将泄漏规定为 MΩ-μF 积,用来描述电介质的自放电时间常数,单位为秒。其范围介于 1 秒或更短与数百秒之间,前者如铝和钽电容,后者如陶瓷电容。玻璃电容的自放电时间常数为 1,000 或更大;特氟龙和薄膜电容(聚苯乙烯、聚丙烯)的泄漏性能最佳,时间常数超过 1,000,000 MΩ-μF。对

于这种器件,器件外壳的表面污染或相关配线、物理装配会产生泄漏路径,其影响远远超过电介质泄漏。

 

有效串联电感 ESL(图 1)产生自电容引脚和电容板的电感,它能将一般的容抗变成感抗,尤其是在较高频率时;其幅值取决于电容内部的具体构造。管式箔卷电容的引脚电感显著大于模制辐射式引脚配置的引脚电感。多层陶瓷和薄膜电容的串联阻抗通常最低,而铝电解电容的串联阻抗通常最高。因此,电解电容一般不适合高频旁路应用。


电容制造商常常通过阻抗与频率的关系图来说明有效串联电感。不出意料的话,这些图会显示:在低频时,器件主要表现出容性电抗;频率较高时,由于串联电感的存在,阻抗会升高。

 

有效串联电阻 ESR(图 1 的电阻 Rs)由引脚和电容板的电阻组成。如上文所述,许多制造商将 ESR、ESL 和泄漏的影响合并为一个参数,称为“损耗因数”或 DF。损耗因数衡量电容的基本无效性。制造商将它定义为每个周期电容所损失的能量与所存储的能量之比。特定频率的等效串联电阻与总容性电抗之比近似于损耗因数,而前者等于品质因数 Q 的倒数。

 

损耗因数常常随着温度和频率而改变。采用云母和玻璃电介质的电容,其 DF 值一般在 0.03% 至 1.0% 之间。室温时,陶瓷电容的 DF 范围是 0.1% 至 2.5%。电解电容的 DF 值通常会超出上述范围。薄膜电容通常是最佳的,其 DF 值小于 0.1%。


容差、温度和其它影响

 

一般而言,精密电容比较昂贵,甚至不易购买。事实上,电容选择会受到可获取性和容差的范围限制。一些陶瓷电容和多数薄膜型电容通常具有±1% 的容差,但其交货时间可能令人无法接受。大多数薄膜电容都可以提供±1% 以下的容差,但必须特别订购。

 

大多数电容都对温度变化敏感。损耗因数、电介质吸收和电容值本身都与温度有关。对于一些电容,这些参数与温度的关系近似线性;而对于另一些电容,这些参数随温度的变化极不规则。过大的温度系数 (ppm/°C) 对于采样保持应用一般不会有很大影响,但可能会损害精密积分器、电压频率转换器和振荡器的性能。NPO 陶瓷电容的温度漂移低至 30 ppm/°C,一般是最佳选择。铝电解电容的温度系数则可能超过 10,000 ppm/°C。

 

还应当考虑电容的最大工作温度。例如,聚苯乙烯电容在接近85°C 时就会熔化,而特氟龙电容则能承受 200°C 的高温。

 

电容和电介质吸收对所施加电压的敏感度也可能会损害电路应用中的电容性能。电容制造商可能并未清楚地给出电压系数,但用户始终应当考虑这些因素的可能影响。例如,当施加最大电压时,一些高密度陶瓷电容的电容值可能会下降 50% 或更多!

 

此外,许多类型电容的电容值和损耗因数会因频率不同而发生较大变化,主要原因是电介质常数发生变化。就此而言,聚苯乙烯、聚丙烯和特氟龙电介质较佳。


关键元件最后装配


设计过程结束并不意味着设计人员就可以高枕无忧。常用的印刷电路板装配技术可能会使最好的设计毁于一旦。例如,一些常用的印刷电路板清洁剂可能会渗入某些电解电容中,尤其是采用橡胶端盖的电解电容。更糟糕的是,一些薄膜电容,特别是聚苯乙烯型,接触某些溶剂时会发生溶解。野蛮地对待引脚也可能会损害电容,造成随机的或间歇性电路问题。蚀箔型电容极易受损,应当特别注意。为了避免这些问题,建议将最为重要的元件安排在电路板装配过程的最后一步安装。

 

设计人员还应当考虑电容的自然失效机制。例如,金属薄膜电容经常发生“自愈”现象。这些电容最初是由于电介质薄膜中的细小穿孔所产生的导电电桥而失效。但是,由此造成的故障电流可能会产生足够的热量而破坏电桥,使电容恢复正常工作(电容值变得稍低)。当然,高阻抗电路应用可能无法产生足以破坏电桥的电流。

 

钽电容也会表现出一定程度的“自愈”现象,但与薄膜电容不同的是,前者取决于故障处缓慢上升的温度。因此,钽电容在高阻抗电路中的自愈效果最佳,因为它会限制流过电容缺陷的电流浪涌。因此,高电流应用选择钽电容时要格外小心。电解电容的寿命常常取决于电解液从端盖渗出的渗透率。环氧树脂密封的性能优于橡胶密封,但在严重的反向电压或过压情况下,环氧树脂密封电容可能会爆炸。

 

消息编辑者为:Forum ADI

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