标签: 寄生参数

摘要： 晶体管、集成电路等有源器件利用来自电源的能量对信号进行转换，而电阻、电容、电感以及连接器等无源元件则不消耗电能——或许是我们的假设。由于无源元件均具有寄生参数，它们实际上会以不可预知的方式改变信号。本文分为3部分，这里为第1部分，讨论寄生电容的影响。 引言 有源元件和无源元件——在工程设计领域真的是非白即黑吗？ 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。 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R L 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SB 1 至SB 4 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/℃至1.7μV/℃(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。 SB 2 和SB 3 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。SB 1 和SB 4 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。 我们可以对介质吸收(DA)或Bob Pease所称的“渗透”进行建模，等效为无数个RC时间常数：DA 1 至DA INFINITY ，其中每个时间常数由电阻R DA 和电容CD A 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。 【 分页导航 】 第1页：并非完全无源的电容 第2页：控制生产误差 第3页：焊接对无源器件性能的影响 第4页：附录——无源电容的介质吸收、渗透和电压放电 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 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 7 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。 图3：生产误差等级或筛选，会以不同方式影响电容性能。 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。 【 分页导航 】 第1页：并非完全无源的电容 第2页：控制生产误差 第3页：焊接对无源器件性能的影响 第4页：附录——无源电容的介质吸收、渗透和电压放电 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 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。 总结 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。在本文的后续部分，我们还将讨论其它类型的无源元件：电阻、电位器、开关，甚至是不引人注意的PCB。 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 8 。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。 参考文献 1. Capacitor Distortion Mechanisms www.co-bw.com/Audio_Capacitor_Distrotion_Mechanisms.htm. (这个URL中的单词“distrotion”拼错，但这个URL是正确的。) 2. Pease, Bob, “What’s All This Capacitor Leakage Stuff, Anyhow?” Electronic Design, March 29, 2007, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-capacitor-leakage-stuff-anyhow. 3. Jim Williams used an “x” to indicate a Seebeck junction. He would count the junction in parallel paths and purposely cut the PC trace and solder them back together to make equal numbers of junctions. See Williams, Jim, et al, application note 86; “A Standards Lab Grade 20-Bit DAC with 0.1ppm/°C Drift,” http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an86f.pdf. See also Pease, Bob, “Understand Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems,” http://portal.national.com/rap/Application/0,1570,28,00.html. For more general information on Seebeck junctions, you can start at http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect. 4. Williams, Jim, op cit. 5. Pease, Bob, “What’s All This Soakage Stuff, anyhow?” Electronic Design, May 13, 1998, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-soakage-stuff-anyhow. 6. Maxwell, John, AVX Corp., “Technical Information, Cracks: The Hidden Defect,” http://www.avx.com/docs/techinfo/cracks.pdf. 7. Maxim Integrated, application note 4301, “The Zero-Transistor IC, a New Plateau in IC Design,” www.maximintegrated.com/AN4301. 8. Spice tools for Kemet and AMX capacitors can be found near the bottom of the page at www.maximintegrated.com/cal. 【 分页导航 】 第1页：并非完全无源的电容 第2页：控制生产误差 第3页：焊接对无源器件性能的影响 第4页：附录——无源电容的介质吸收、渗透和电压放电 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 附录 无源电容的介质吸收、渗透和电压放电 我对第一次看到介质渗透的经历印象深刻，与我第一次测量功率变压器场景大不相同。 在我十几岁时，当地一位“火腿族(ham)”(20世纪中期的一个称呼，指业余无线电爱好者——糟糕，我可能暴露了我的年龄。)在他的车库中维修电视机。我从他那里学到了很多东西，有些是手把手教的。在他的工作台上有一个断开的功率变压器，引线裸露在外。我说我能够用欧姆表测量出电阻，于是，我非常幼稚地抓住两个探头，然后将每个探头按到裸露的引线上。嗖！即使欧姆表仅由3V电源供电，电感产生的反冲也足以使我牢记这次教训。 他同情地看着我(希望我牢记教训，并非要我死)。于是，他像Bob Pease所说的那样 1 ，把CRT接地，然后向我展示电荷仍会停留几分钟。我照样子做了，急于弄清电荷到底能够停留多久——结果发现电荷似乎无休止地保持着(直到我觉得无聊，停止了试验)。Keith Snook 2 对DA理论进行了深入讨论，这是值得关注的一个好课题。 答案就在我们学过的知识中：我们不可能对电容完全充电，除非我们等待无限长时间。实际应用中，对于大多数电路，我们认为达到时间常数的5倍之后，即充电完毕，此时电压达到所加总电压的99.3%。电容放电的过程亦如此。就CRT而言，从高压开始，在较长的时间内都能产生令人痛苦的电击。 Kemet是KRC Trade Corporation的注册商标。 参考文献 1. Pease, Bob, “What’s All This Soakage Stuff, anyhow?” Electronic Design, May 13, 1998, http://electronicdesign.com/analog/whats-all-soakage-stuff-anyhow. 2. Snook, Keith, “What’s all this Trapped Charge and Dielectric Compression Stuff Anyhow?” http://www.keith-snook.info/capacitor-soakage.html. 【 分页导航 】 第1页：并非完全无源的电容 第2页：控制生产误差 第3页：焊接对无源器件性能的影响 第4页：附录——无源电容的介质吸收、渗透和电压放电 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

我们在应用MOS管和设计MOS管驱动的时候，有很多寄生参数，其中最影响MOS管开关性能的是源边感抗。寄生的源边感抗主要有两种来源，第一个就是晶圆DIE和封装之间的Bonding线的感抗，另外一个就是源边引脚到地的PCB走线的感抗（地是作为驱动电路的旁路电容和电源网络滤波网的返回路径）。在某些情况下，加入测量电流的小电阻也可能产生额外的感抗。 我们分析一下源边感抗带来的影响： 1.使得MOS管的开启延迟和关断延迟增加 由于存在源边电感，在开启和关段初期，电流的变化被拽了，使得充电和放电的时间变长了。同时源感抗和等效输入电容之间会发生谐振（这个谐振是由于驱动电压的快速变压形成的，也是我们在 G端看到震荡尖峰的原因），我们加入的门电阻Rg和内部的栅极电阻Rm都会抑制这个震荡（震荡的Q值非常高）。   我们需要加入的优化电阻的值可以通过上述的公式选取，如果电阻过大则会引起G端电压的过冲（优点是加快了开启的过程），电阻过小则会使得开启过程变得很慢，加大了开启的时间（虽然G端电压会被抑制）。 园感抗另外一个影响是阻碍Id的变化，当开启的时候，初始时di/dt偏大，因此在原感抗上产生了较大压降，从而使得源点点位抬高，使得Vg电压大部分加在电感上面，因此使得G点的电压变化减小，进而形成了一种平衡（负反馈系统）。 另外一个重要的寄生参数是漏极的感抗，主要是有内部的封装电感以及连接的电感所组成。 在开启状态的时候Ld起到了很好的作用（Subber吸收的作用），开启的时候由于Ld的作用，有效的限制了di/dt/（同时减少了开启的功耗）。在关断的时候，由于Ld的作用，Vds电压形成明显的下冲（负压）并显著的增加了关断时候的功耗。 下面谈一下驱动（直连或耦合的）的一些重要特性和典型环节： 直连电路最大挑战是优化布局 实际上驱动器和MOS管一般离开很远，因此在源级到返回路径的环路上存在很大的感抗，即使我们考虑使用地平面，那么我们仍旧需要一段很粗的PCB线连接源级和地平面。   另外一个问题是大部分的集成芯片的输出电流都比较小，因为由于控制频率较高，晶圆大小受到限制。同时内部功耗很高也导致了IC的成本较高，因此我们需要一些扩展分立的电路。 旁路电容的大小 由于开启的瞬间，MOS管需要吸取大量的电流，因此旁路电容需要尽可能的贴近驱动器电源端。 有两个电流需要我们去考虑：第一个是驱动器静态电流，它收到输入状态的影响。他可以产生一个和占空比相关的纹波。 另外一个是G极电流，MOS管开通的时候，充电电流时将旁路电流的能量传输至MOS管输入电容上。其纹波大小可用公式来表明，最后两个可合在一起。 驱动器保护   如果驱动器输出级为晶体管，那么我们还需要适当的保护来防止反向电流。一般为了成本考虑，我们采用NPN的输出级电路。NPN管子只能承受单向电流，高边的管子输出电流，低边的管子吸收电流。在开启和关闭的时候，无可避免的源感抗和输入电容之间的振荡使得电流需要上下两个方向都有通路，为了提供一条方向通路，低电压的肖特基二极管可以用来保护驱动器的输出级，这里注意这两个管子并不能保护MOS管的输入级（离MOS管较远），因此二极管需要离驱动器引脚非常近。 晶体管的图腾柱结构   这是最便宜和有效地驱动方式，此电路需要尽量考虑MOS管，这样可以使得开启时大电流环路尽可能小，并且此电路需要专门的旁路电容。Rgate是可选的，Rb可以根据晶体管的放大倍数来选择。两个BE之间的PN结有效的实现了反压时候的相互保护，并能有效的把电压嵌位在VCC+Vbe，GND-Vbe之间。 加速器件 MOS管开通的时候，开启的速度主要取决于二极管的反向特性。 因此MOS管关断的时间需要我们去优化，放电曲线取决于Rgate，Rgate越小则关断越快。下面有好几个方案： 1.二极管关断电路   这是最简单的加速电路。Rgate调整着MOS管的开启速度，当关断的时候，由二极管短路电阻，此时G极电流最小为：Imin=Vf / Rgate 。 此电路的优点是大大加速了关断的速度，但是它仅在电压高的时候工作，且电流仍旧流向驱动器。 2.PNP关断电路   这是最流行和通用的电路，利用PNP的管子，在关断期间，源极和栅极被短路了。二极管提供了开启时候的电流通路（并且有保护PNP管子eb免受反向电压的影响），Rgate限制了开启的速度。 电路的最大的好处是放电电流的尖峰被限制在最小的环路中，电流并不返回至驱动器，因此也不会造成地弹的现象，驱动器的功率也小了一半，三极管的存在减小了回路电感。 仔细看这个电路其实是图腾柱结构的简化，电路的唯一的缺点是栅极电压并不释放到0V，而是存在EC极的压差。 3.NPN关断电路   优点和上面的PNP管子相同，缺点是加入了一个反向器，加入反向器势必会造成延迟。 4.NMOS关断电路   这个电路可以使得MOS管关断非常快，并且栅极电压完全释放至零电压。不过小NMOS管子需要一个方向电压来驱动。 问题也存在，NMOS的Coss电容和主MOS管的CISS合成变成等效的电容了。