电容器为什么称为“非被动”设备

诸如晶体管和集成威廉希尔官方网站 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。它用于电子威廉希尔官方网站 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？

晶体管和集成威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，这会改变有源威廉希尔官方网站 的偏置电压，破坏滤波器中的Q因子，并破坏采样保持威廉希尔官方网站 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）产生了调谐威廉希尔官方网站 （即具有自谐振的威廉希尔官方网站 ）。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，威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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