原创 我的电容器不完美

作者：Bonnie Baker — WEBENCH 设计中心

我们总喜欢把电容器想得太完美，这或许是错的，提到失真时更是如此。电容器通常位于信号路径中，可能会给其自身的所有电路带来失真。图 1 是一些信号路径中包含电容器的典型电路。

图 1. 六阶带通滤波器的第一阶 (a) 以及为 ADC 驱动 R/C 对的放大器 (b)。

图 1a 是一个 Sallen-Key 带通滤波器级。该电路中有两个电容器都暴露在出现在滤波器信号路径中的 AC 电压中。图 1b 是一款在 SAR-ADC 输入驱动器路径中使用 R/C 网络的放大器。电容器 C_F 在到达模数转换器 (ADC) 之前首先遇到输入信号。

失真的产生是因为电容器电压及频率的依从特性。

下列等式可描述电容随电压曲线的变化情况：

 C = C₀ ( 1 + bV_CAP),

其中

C₀ 是标称电容

V_CAP 是整个电容的电压

b 是电容器的电压系数。它通常包含引起非线性响应的更高阶项。

图 2 是电压与电容变化的典型曲线图。

图 2. 电容器电压系数

变化电容器的输入输出电荷可穿过相邻阻抗，形成信号失真。由于来自电容器的充电电流具有电压依从性，因此它会产生非线性错误。对于任何信号来说，这种错误都包含谐波。

电容器电压系数特性在半导体工艺中会更加显著。由于图 1b 中的 ADC 输入具有内部输入 R/C，因此失真产生现象出现在转换器输入级内部。幸运的是，半导体厂商已经针对该错误调整了数字输出信号。此外，较小内部 ADC 电容器 (C_SH) 的较大电压系数可通过较大外部电容器的电压系数拉低。

此外，电容器的电介质属性可能会引发更多与频率有关的失真。您可在图 3 中看到这些影响。

图 3. 电容器 THD+N 与频率的关系

图 3 是几个电容器的特性，以及其总谐波失真 + 噪声 (SINAD) 与频率性能的对比。该图中的绿线使用 C0G 电容器测得。金色线是系统测量结果。图中的其它曲线分别取自具有不同电介质 — Y5V（红）、Z5U（蓝）以及 X7R（黑）的陶瓷电容器。注意，这些类型的电容器会随频率变化而产生显著的非线性与信号失真。

图中未显示 NPO 类陶瓷电容器。NPO 类电容器与 C0G 性能基本一致。

信号失真的形式有多种，而电路信号路径中的电容器很可能是失真原因最后考虑的事情。为 C₁ 及 C₂（图 1a）以及 C_F（图 1b）选择适当的电容器类型非常关键。您会发现更高质量的外部电容器不会降低滤波器或 ADC 的性能。