PDF《AN-348 应用笔记》

AN-348 应用笔记 ONE TECHNOLOGY WAY ? P.

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9106 ? NORWOOD, MASSACHUSETTS 02062-9106 ? 617/329-4700 假设您花费

25 美元或更多钱购买了一个精密运算放大器或数据 转换器,插入电路板后,您却发现,器件与其技术规格不符.可 能是电路受漂移影响,频率响应不佳,发生振荡,或者根本无法 实现您期望的精度.不过,先不要抱怨器件本身,而应当先检查 您的无源元件,包括电容、电阻、电位器,当然还有印刷电路板 本身.容差、温度、寄生效应、老化以及用户组装过程的微妙影 响,可能会在不经意间搞垮您的电路.而且,制造商常常对所有 这些影响不加说明或语焉不详. 一般而言,如果使用

12 位或更高分辨率的数据转换器,或者价 格在5美元以上的运算放大器,则无源元件的选择尤其应当慎 重.为了更好地说明这一问题,请考虑一个

12 位数模转换器 (DAC).半个 LSB(最低有效位)对应于满量程的 0.012%,或 百万分之

122 (ppm)!在各种无源元件的影响下,误差可能会快 速累积,从而远远超过 122. 购买昂贵的无源元件并不一定能解决问题.很多情况下,如果选 择得当,则利用

25 美分电容所实现的设计,可能比利用

8 美元 的电容的设计性能更好、性价比更高.了解和分析无源元件的影 响虽然并非易事,不过却是非常值得的;

下面将介绍一些基本知 识. 电容 大多数设计人员一般都很熟悉现有的各种电容.但是,电容种类 繁多,包括玻璃电容、铝箔电容、固态钽和钽箔电容、银云母电 容、陶瓷电容、特氟龙电容,以及聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和 聚丙烯类型的薄膜电容等,因此精密电路设计中发生静态和动态 误差的机制很容易被忘记. 图1显示了一个非理想电容的等效模型.电阻 Rp 代表绝缘电阻 或泄漏,与标称电容 C 并联.第二个电阻 Rs(等效串联电阻或 ESR)与该电容串联,代表引脚和电容器极板的电阻*.电感L (等效串联电感或 ESL)代表引脚和电容板的电感.最后,电阻 Rda 和电容 Cda 一起构成电介质吸收现象的简化模型.无论是快速 电路还是慢速电路,电介质吸收现象均可能会破坏其动态性能. 图1. 电容等效电路 电介质吸收 我们首先讨论电介质吸收, 也称为 浸润 , 有时也称为 电介质 迟滞 , 这可能是我们了解最少而潜在破坏性最高的一种电容效 应. 放电时, 多数电容都不愿意放弃之前所拥有的全部电荷. 图2显示了这一效应. 电容在时间 t0 充电至 V 伏后, 开关在时间 t1 将电容短路. 在时间 t2, 电容开路;

残余电压在其引脚上缓慢积 累, 达到近乎恒定的值. 此电压就是由 电介质吸收 引起的. 图2. 残余电压反映电容的电介质吸收现象 界定或测量电介质吸收的标准技术极为稀少.测量结果通常用电 容上重复出现的原始充电电压的百分比表示.典型方法是:让电 容充电

1 分钟以上,然后短路

1 至10 秒的建立时间,最后让电 容恢复约

1 分钟时间,再测量残余电压(见参考文献 10). 实际操作中,电介质吸收有多种表现形式,例如:积分器拒绝复 位至 0,电压频率转换器表现出异常非线性,采样保持器表现出 变化不定的误差.最后一种表现形式对于数据采集系统特别不 利,因为相邻通道的电压差可能达到几乎满量程.图3显示了一 个简单采样保持器所发生的情况. 图3. 电介质吸收在采样保持应用中引起误差 避开无源元件的陷阱 如果选错无源元件,再好的运算放大器或数据转换器也可能会表现不佳 本文说明需要注意的一些基本陷阱 作者:Doug Grant、Scott Wurcer * 将各种电容现象分离出来并不容易.采用这种模型是为了方便说明. 转载自《模拟对话》17-2

1983 电介质吸收是电介质材料本身的特性,但低劣的制造工艺或电极 材料也会影响此特性.电介质吸收特性用充电电压的百分比表 示,对于特氟龙、聚苯乙烯和聚丙烯电容,该值低至 0.02%;

对 于一些铝电解电容,该值则高达 10% 或更大.在一定时间期限 内,聚苯乙烯电容的电介质吸收率可以低至 0.002%. 一般陶瓷和聚碳酸酯电容的典型电介质吸收率为 0.2%,这相当于

8 位分辨率时的半个 LSB!银云母、玻璃和钽电容的电介质吸收 率通常较大,介于 1.0% 至5.0% 之间;

聚酯电容的电介质吸收率 为0.5% 左右.一般而言,如果电容技术规格表没有说明所需时 间期限和电压范围内的电介质吸收率,则应格外谨慎. 电介质吸收可以在快速建立电路的瞬态响应中产生长尾现象,例 如高通有源滤波器或交流放大器.在此类应用所用的一些器件 中,图1的Rda-Cda 电介质吸收模型可能具有数毫秒的时间常数*. 在快充快放应用中,电介质吸收与 模拟存储器 相似,电容试 图记住以前的电压. 一些设计中,如果电介质吸收效应比较简单,易于确定,并且您 愿意做一些微调,则可以对其进行补偿.例如在积分器中,可以 通过合适的补偿网络反馈输出信号,通过并联一个负阻抗来抵消 电介质吸收等效电路.已经证明,这种补偿方法可以将采样保持 电路的性能提高

10 倍或更多(见参考文献 7). 寄生效应和损耗因数 图1中,电容的泄漏电阻 Rp、有效串联电阻 Rs 和有效串联电感 L 是寄生元件,可能会降低外部电路的性能.一般将这些元件的效 应合并考虑,定义为损耗因素或 DF. 电容的泄漏是指施加电压时流过电介质的微小电流.虽然模型中 表现为与电容并联的简单绝缘电阻 (Rp),但实际上泄漏与电压并 非线性关系.制造商常常将泄漏规定为 MΩ-μF 积,用来描述电 介质的自放电时间常数,单位为秒.其范围介于

1 秒或更短与数 百秒之间,前者如铝和钽电容,后者如陶瓷电容.玻璃电容的自 放电时间常数为 1,000 或更大;

特氟龙和薄膜电容(聚苯乙烯、 聚丙烯)的泄漏性能最佳,时间常数超过 1,000,000 MΩ-μF.对 于这种器件,器件外壳的表面污染或相关配线、物理装配会产生 泄漏路径,其影响远远超过电介质泄漏. 有效串联电感 ESL(图1)产生自电容引脚和电容板的电感,它 能将一般的容抗变成感抗,尤其是在较高频率时;

其幅值取决于 电容内部的具体构造.管式箔卷电容的引脚电感显著大于模制辐 射式引脚配置的引脚电感.多层陶瓷和薄膜电容的串联阻抗通常 最低,而铝电解电容的串联阻抗通常最高.因此,电解电容一般 不适合高频旁路应用. 电容制造商常常通过阻抗与频率的关系图来说明有效串联电感. 不出意料的话,这些图会显示:在低频时,器件主要表现出容性 电抗;

频率较高时,由于串联电感的存在,阻抗会升高. 有效串联电阻 ESR(图1的电阻 Rs)由引脚和电容板的电阻组 成.如上文所述,许多制造商将 ESR、ESL 和泄漏的影响合并为 一个参数,称为 损耗因数 或DF.损耗因数衡量电容的基本无 效性.制造商将它定义为每个周期电容所损失的能量与所存储的 能量之比.特定频率的等效串联电阻与总容性电抗之比近似于损 耗因数,而前者等于品质因数 Q 的倒数. 损耗因数常常随着温度和频率而改变.采用云母和玻璃电介质的 电容,其DF 值一般在 0.03% 至1.0% 之间.室温时,陶瓷电容 的DF 范围是 0.1% 至2.5%.电解电容的 DF 值通常会超出上述范 围.薄膜电容通常是最佳的,其DF 值小于 0.1%. 容差、温度和其它影响 一般而言,精密电容比较昂贵,甚至不易购买.事实上,电容选 择会受到可获取性和容差的范围限制.一些陶瓷电容和多数薄 膜型电容通常具有±1% 的容差,但其交货时间可能令人无法接 受.大多数薄膜电容都可以提供±1% 以下的容差,但必须特别 订购. 大多数电容都对温度变化敏感.损耗因数、电介质吸收和电容值 本身都与温度有关.对于一些电容,这些参数与温度的关系近似 线性;

而对于另一些电容,这些参数随温度的变化极不规则.过 大的温度系数 (ppm/°C) 对于采样保持应用一般不会有很大影响, 但可能会损害精密积分器、电压频率转换器和振荡器的性能. NPO 陶瓷电容的温度漂移低至

30 ppm/°C,一般是最佳选择.铝 电解电容的温度系数则可能超过 10,000 ppm/°C. 还应当考虑电容的最大工作温度.例如,聚苯乙烯电容在接近 85°C 时就会熔化,而特氟龙电容则能承受 200°C 的高温. 电容和电介质吸收对所施加电压的敏感度也可能会损害电路应用 中的电容性能.电容制造商可能并未清楚地给出电压系数,但用 户始终应当考虑这些因素的可能影响.例如,当施加最大电压 时,一些高密度陶瓷电容的电容值可能会下降 50% 或更多! 此外,许多类型电容的电容值和损耗因数会因频率不同而发生较 大变化,主要原因是电介质常数发生变化.就此而言,聚苯乙 烯、聚丙烯和特氟龙电介质较佳. * 更长的时间常数也很常见.事实上,一些电容可以通过数个并联的 Rda-Cda 电路来模拟,具有多种不同的时间常数. 关键元件最后装配 设计过程结束并不意味着设计人员就可以高枕无忧.常用的印刷 电路板装配技术可能会使最好的设计毁于一旦.例如,一些常用 的印刷电路板清洁剂可能会渗入某些电解电容中,尤........