原创 无源元件并非真的“无源”(第1部分)：电容

《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4301⁷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。

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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。

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《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.

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《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 Snook²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.

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