电容器为什么称为“非被动”设备

诸如晶体管和集成电路之类的有源组件会使用来自电源的能量来改变信号。相反，无源组件（如电阻器，电容器，电感器和连接器）不消耗功率，因此我们假设。但是，无源元件实际上可以并且确实会以意想不到的方式改变信号，因为它们都包含寄生成分。本应用笔记是一个三部分系列的第一篇，讨论了寄生电容。

引言

电容器是一种众所周知的无源器件，它可以在电场中存储能量。它用于电子电路中以阻止直流电并允许交流电通过，使电源的输出平滑并稳定电压和功率流。由于涉及的应用范围很广，因此明智的一步是进一步了解电容器以及为什么将它们称为“非被动”设备。

有源组件和无源组件-工程设计真的是黑白的吗？

晶体管和集成电路被认为是有源组件，因为它们使用电源的能量来改变信号。同时，我们称电容器，电阻器，电感器，连接器，甚至PC板（PCB）等组件为无源，因为它们似乎不消耗功率。但是，这些显然无源的组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。因此，实际上，许多所谓的被动组件并不是那么被动。在本应用笔记中，无源器件由3部分组成的系列的第1部分，我们将探讨电容器的有源作用。

被动电容器

可以定义为惰性和/或惰性。但是无源电子组件可能以意想不到的方式成为电路的有源部分。因此，根本不存在纯粹为电容性的电容器。所有电容器固有地都具有寄生成分（图1）。

电容器©及其最大的寄生元件。

让我们仔细看一下图1中的有源寄生元件。标有“ C”的电容器是我们希望看到的一件事。所有其他组件都是有害的寄生虫。并联电阻RL会引起DC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。等效串联电阻（ESR）降低了电容器减少纹波和传递高频信号的能力，因为等效串联电感（ESL）产生了调谐电路（即具有自谐振的电路）。这意味着，在自谐振频率以上，电容器看起来是电感性的，不再能够将高频噪声从电源耦合到地面。电介质可以是压电的，会增加振动（AC）产生的噪声，看起来像是C电容器内部的电池（未画出）。冷却焊料应力产生的压电效应会改变电容器的值。极化电解电容器还可以具有串联的寄生二极管（未画出），这些二极管可以整流高频信号并改变偏置或增加不必要的失真。

小型电池SB1至SB4表示塞贝克结，不同的金属（寄生热电偶）在此建立电压源。在连接测试设备时，我们需要考虑普通连接器的塞贝克效应。Jim Williams应用笔记中的附录J，图J5显示，BNC和香蕉连接器对的热电势范围为0.07µV /°C至1.7µV /°C。这种差异仅是我们每天在实验室中进行的简单连接。将看似很小的失调增益乘以1000，我们就得到1.7mV的电压，这是在我们实际进行任何生产之前。

SB2和SB3可以在电容器内部，在该电容器中，箔片连接到引线，或者金属化层连接到表面安装部件中的镀层或焊料。SB1和SB4表示从零件通过焊料到PCB铜迹线的连接点。焊料曾经是简单的63％铅和37％锡。但是今天，人们不得不询问合金的含量，因为无铅RoHS焊料会发生很大变化，并影响电容器周围的电压。

介电吸收DA或Bob Pease所谓的“浸泡”可以建模为无数个不同的RC时间常数，DA1到DAINFINITY。这些时间常数均由电阻RDA和电容器CDA组成。鲍勃·皮斯（Bob Pease）为我们提供了一些有关“浸泡”时间的实际例子，我记得附录中有关浸泡的有趣经历。

“好吧，如果您关闭彩电并打开后盖，那么在开始进行操作之前，您要做的第一件事是什么？将接地带放在螺丝刀上，并伸到HV插头上的橡胶套下方，以释放CRT。好了，既然电容已经放电，那么如果让它静置约10分钟，它将有多少电压“吸收”回显像管的“电容”中？在第二次放电时，足以形成可见的电弧……现在这就是我所说的介电吸收。”

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，这种简单的无源元件变得更加复杂。

现在，我们应该说一下自谐振，这是去耦电容器和不良接地最常见的电容器问题。如果接地不良，电容器将无法发挥作用。电容自谐振受图1所示的ESL的影响。但是，也不要忽视PCB过孔的影响。在射频下，这些过孔会影响小型电容器的自谐振点。检查图2并集中在1µF曲线上。

三个电容器的自谐振（曲线上的最低点）。图表显示，电容器的性能并不完全相同。在走线（阻抗）向下移动的左侧，电容器充当电容器。但是，当它们到达最低点并向上启动时，它们将变成电感器（ESL），并且不再有效用作去耦电容器。

1µF走线在4.6MHz处发现最小值。在该频率以上，ESL占主导地位，电容器的工作方式类似于电感器。这告诉我们，去耦电容器是用于高频的双向管道：电源总线上的高频与地面共享，反之亦然。电容器使电源和地之间的差异均匀。

考虑更多关于信号频率和电容器的信息，我们可能会忘记所产生的谐波或边带。例如，实际的50MHz方波SPI时钟将具有奇数谐波到无穷大。大多数系统，但不是所有系统，都可以忽略高于五次谐波的谐波，因为能量是如此之低，以至于低于本底噪声。但是，如果谐波在半导体中被整流并且仍然可以转化为新的低频干扰，则仍然会引起问题。

操纵制造公差

图2显示并非所有电容器都相等。通常，高质量电容器具有很高的可重复性，而某些便宜的电容器可以以较大的制造公差换取较低的成本。一些制造商“装箱”（图3）或选择容差严格的电容器，这些电容器将以高价出售。如果该电容器用于设置系统中的时间或频率，则可能是有害的。

合并或分类制造公差会以不同方式影响电容器性能。

图3中的实线（黑色）曲线是良好制造过程的标准偏差。尽管我们在Maxim Integrated的应用笔记4301“零晶体管IC，IC设计的新平台”中将这一图示用于电阻，但数据同样适用于电容器。随着制造公差的变化，每个料仓中的零件数量也会发生变化。公差可能会向右移动（绿色虚线），导致在1％的公差下没有屈服。它可以是双峰（灰色虚线），具有很多5％和10％的公差零件，而只有1％和2％的公差零件。

对“似乎”进行装箱，以确保2％公差范围仅是从负1到负2以及从1到正2（即，没有1％的部分）。它还“似乎”从5％装箱中删除了任何1％和2％公差的零件。我们说“似乎”和“出现”是因为销量和人性也影响了两者的组合。例如，工厂经理可能需要装运5％公差的电容器，但他本月的需求不足。但是，他的容差部分确实过剩2％。因此，本月他将它们扔到5％的垃圾箱中并进行装运。显然，人为干预可以而且确实会歪曲统计数据和方法。

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％，中间可能会有±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校正更大的变化。

焊接如何影响无源性能
焊接会在电容器中，特别是在表面安装零件中引入应力。这种应力会导致压电电压产生振动，甚至使电容器破裂，从而使电容器随后失效。

看到正确的回流焊接令人印象深刻。熔化的焊料的表面张力使零件旋转成对准状态，就好像靠魔术一样。但是不良的焊料温度曲线确实会损坏器件。您是否看到电容器像墓碑一样竖立在一端？如果焊料温度上升不正确，可能会发生这种情况。始终遵循制造商的焊料轮廓建议。一些组件对温度更敏感，因此，电路板组件可能需要两种或两种以上熔点不同的焊料。首先用最高熔点的焊料焊接电路中的大多数组件，然后在较低温度下焊接任何“敏感”组件。必须以正确的顺序使用焊料，以免在过程中较早焊接的那些零件在以后不被焊接。

总结
当我们谈到诸如电容器之类的无源器件时，我们必须记住，这些器件都包含可改变信号的寄生部分。当然，其影响取决于信号强度。如果要测量微伏，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，电缆构造和焊接连接器。我们的原理图通常对此有所掩饰，这在我们寻找小的噪声或电压之前是可以接受的。

请记住，无源电容器只是一个组件，而且实际上比它看起来更活跃。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产生细微的影响，这些都会影响设备的性能。知道了这一点，我们需要了解许多电容器可能累积的潜在误差。在这个由3部分组成的系列的未来应用笔记中，我们将讨论其他所谓的无源组件：电阻器，电位计，开关以及令人惊讶的低级PCB。

最后，AVX和Kemet是电容器公司，它们指定寄生元件并提供免费的Spice工具。7这些Spice工具使我们能够绘制电容器的实际性能图。他们两个网站上的应用笔记也都非常有用。

编辑：hfy