有源元件和无源元件 - 工程设计真的是黑白分明吗？
晶体管和集成电路被认为是有源元件，因为它们使用来自电源的能量来改变信号。同时，我们称电容器，电阻器，电感器，连接器等组件，甚至PC板（PCB）被动，因为它们似乎不消耗功率。然而，这些看似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，事实上，许多所谓的无源元件并非如此被动。在本应用笔记，关于无源器件的3部分系列的第1部分中，我们将讨论电容器的积极作用。
不那么被动的电容器
被动可以定义为惰性和/或非活动。但是，无源电子元件可能以意想不到的方式成为电路的活跃部分。因此，不存在纯电容的电容器。所有电容器本身都具有寄生元件（图1）。
小电池SB 1至SB 4表示塞贝克结3，其中不同的金属（寄生热电偶）产生电压源。当我们连接我们的测试设备时，我们需要考虑常见连接器的塞贝克效应。这种差异仅适用于我们每天在实验室中进行的简单连接。将看似小的偏移增益乘以一千，并且我们有1.7mV - 这是在我们实际做任何有效的事情之前。
电介质吸收，DA或Bob Pease所谓的“浸泡”，可以被建模为无数个不同的RC时间常数，DA 1到DA INFINITY。这些时间常数中的每一个都由电阻器R DA和电容器C DA组成。Bob Pease向我们提供了一些关于何时“浸泡”问题的实际例子，我记得在附录中有一个有趣的浸泡体验。
“好吧，如果你关掉你的彩色电视并打开背面，你在开始工作之前首先要做的是什么？将接地带放在螺丝刀上，并到达高压插头上的橡胶护罩下面，以释放CRT。好了，现在电容已经放电了，如果让它静置大约10分钟，多少电压将“浸透”回到显像管的“电容”？第二次放电时，足以产生可见的电弧......现在这就是所谓的电介质吸收。“ 5
摘要
图1.电容器（C）及其最大寄生元件。
让我们仔细看看图1中的有源寄生元件。标有“C”的电容是我们希望看到的一件事; 所有其他组件都是不需要的寄生效应。1并联电阻R L会引起直流泄漏，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。2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）创建了一个调谐电路（即具有自谐振的电路）。这意味着在自谐振频率之上，电容器看起来是电感性的，并且不再能够将高频噪声从电源去耦到地。电介质可以是压电的，增加来自振动（AC）的噪声，其看起来像C电容器内部的电池（未示出）。来自冷却焊料的应力的压电效应可以改变电容器的值。偏振电解电容器也可以
串联寄生二极管（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。
串联寄生二极管（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。
小电池SB 1至SB 4表示塞贝克结3，其中不同的金属（寄生热电偶）产生电压源。当我们连接我们的测试设备时，我们需要考虑常见连接器的塞贝克效应。这种差异仅适用于我们每天在实验室中进行的简单连接。将看似小的偏移增益乘以一千，并且我们有1.7mV - 这是在我们实际做任何有效的事情之前。
SB 2和SB 3可以在电容器内部，其中箔连接到引线或金属化连接到表面安装部件中的电镀或焊料。SB 1和SB 4表示从零件到焊料到铜PCB走线的结点。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焊料可能会发生很大变化并影响电容器周围的电压。
电介质吸收，DA或Bob Pease所谓的“浸泡”，可以被建模为无数个不同的RC时间常数，DA 1到DA INFINITY。这些时间常数中的每一个都由电阻器R DA和电容器C DA组成。Bob Pease向我们提供了一些关于何时“浸泡”问题的实际例子，我记得在附录中有一个有趣的浸泡体验。
“好吧，如果你关掉你的彩色电视并打开背面，你在开始工作之前首先要做的是什么？将接地带放在螺丝刀上，并到达高压插头上的橡胶护罩下面，以释放CRT。好了，现在电容已经放电了，如果让它静置大约10分钟，多少电压将“浸透”回到显像管的“电容”？第二次放电时，足以产生可见的电弧......现在这就是所谓的电介质吸收。“ 5
因此电容器可以通过施加电压改变电容。然后添加典型的老化，温度依赖性以及电容器可能受到多种物理损坏的方式，6这种简单的无源元件变得更加复杂。
现在我们应该谈谈自谐振，这是去耦电容和接地不良时最常见的电容问题。如果地面很差，没有电容器可以完成它的工作。电容自谐振主要受图1所示ESL的影响。但不要忽视PCB过孔的影响。在射频频率下，这些过孔会影响小电容器的自谐振点。检查图2并集中在1μF曲线上。
图2.三个电容器的自谐振（图中的最低点）。
图表显示电容器的性能并不完全相同。在迹线（阻抗）向下移动的左侧，电容器充当电容器。然而，当它们达到最低点并向上开始时，它们变成电感器（ESL）并且不再作为去耦电容器有效。
1μF迹线发现最小值为4.6MHz。高于该频率，ESL占主导地位，电容器像电感器一样工作。这告诉我们去耦电容是高频的双向导管：电源总线上的高频与地共用，反之亦然。电容器使电源和地之间的差异均匀化。
考虑到信号频率和电容器的更多信息，我们可能会忘记我们创建的谐波或边带。例如，一个真正的50MHz方波SPI时钟将具有无穷大的奇次谐波。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，因为能量很低，低于噪声基底。然而，如果谐波在半导体中被整流并且可以转换成新的低频干扰，则谐波仍然可能引起问题。
操纵制造公差
图2显示并非所有电容器都是相同的。通常，高质量的电容器是可重复的，而一些廉价的电容器可以以较低的成本交换大的制造公差。一些制造商“bin”（图3）或选择具有严格公差且将以高价出售的电容器。如果使用该电容器来设置系统中的时间或频率，则这可能是有害的。
图3.制造公差的分级或分类以不同方式影响电容器性能。
图3中的实线（黑色）曲线是良好制造工艺的标准偏差。虽然我们在Maxim Integrated的应用笔记4301“ 零晶体管IC，IC设计中的新高原”中将此图用于电阻，但这些数据同样适用于电容器。随着制造公差的移动，每个箱中的零件数量也会发生变化。公差可以向右移动（绿色虚线），导致1％公差时没有屈服。它可以是双峰（灰色虚线），具有许多5％和10％的公差部分以及少量1％和2％的公差部分。
分箱“似乎”确保2％容差部分仅从负1到负2并且加1到正2（即，没有1％部分）。它“似乎”从5％箱中移除任何1％和2％的公差部件。我们说“似乎”和“似乎”，因为销售量和人性也会影响组合。例如，工厂经理可能需要运输5％容差电容器，但他本月没有足够的能力来满足需求。然而，他确实有2％的公差部分过多。因此，这个月他将他们扔进了5％的垃圾桶并发货。显而易见的是，人为干预可以并确实扭曲了统计数据和方法。
这对我们的无源电容器意味着什么？我们必须明白，我们可能期望的公差，例如±5％，中间可能有±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纠正更广泛的变化。
焊接如何影响被动性能
焊接会在电容器中引入应力，特别是在表面贴装部件中。这种压力会导致压电电压产生振动甚至使电容器破裂，从而导致电容器失效。
看到适当的回流焊接令人印象深刻。熔化焊料的表面张力使部件旋转成对齐，好像通过魔术一样。但不良的焊接温度曲线确实会损坏设备。你有没有看到电容器像墓碑一样站在一端？如果焊接温度斜坡错误，就会发生这种情况。始终遵循制造商的焊料配置建议。一些组件对温度更敏感，因此电路板组件可能需要两个或更多具有不同熔化温度的焊料。电路中的大多数元件首先用最高熔点焊料焊接，然后在较低温度下焊接任何“敏感”元件。焊料必须按正确的顺序使用，以便在工艺早期焊接的那些部件以后不会被焊接。
摘要
当我们谈到像电容器这样的无源元件时，我们必须记住，这些器件都包含可以改变信号的寄生部分。当然，这种影响取决于信号强度。如果我们想测量微伏，那么一切都很重要：接地（星点），屏蔽去耦电容，防护，布局，塞贝克效应，电缆结构和焊接连接器。我们的原理图通常会掩盖这一点，这在我们寻找小噪声或电压之前是可以接受的。
请记住，无源电容只是一个组件，并且比它看起来更加活跃。元件寄生效应，容差，校准，温度，老化甚至装配方法和实践都会产生微妙的影响，从而影响器件的性能。知道这一点，我们需要了解可能存在大量电容器的潜在错误。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元件：电阻器，电位器，开关，以及令人惊讶的低PCB。