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我的电容器不完美

 

作者:Bonnie Baker — WEBENCH 设计中心

我们总喜欢把电容器想得太完美,这或许是错的,提到失真时更是如此。电容器通常位于信号路径中,可能会给其自身的所有电路带来失真。图 1 是一些信号路径中包含电容器的典型电路。

 

图 1. 六阶带通滤波器的第一阶 (a) 以及为 ADC 驱动 R/C 对的放大器 (b)。

图 1a 是一个 Sallen-Key 带通滤波器级。该电路中有两个电容器都暴露在出现在滤波器信号路径中的 AC 电压中。图 1b 是一款在 SAR-ADC 输入驱动器路径中使用 R/C 网络的放大器。电容器 CF 在到达模数转换器 (ADC) 之前首先遇到输入信号。

失真的产生是因为电容器电压及频率的依从特性。

下列等式可描述电容随电压曲线的变化情况:

 C = C0 ( 1 + bVCAP),

其中

C0 是标称电容

VCAP 是整个电容的电压

b 是电容器的电压系数。它通常包含引起非线性响应的更高阶项。

图 2 是电压与电容变化的典型曲线图。

 

图 2. 电容器电压系数

变化电容器的输入输出电荷可穿过相邻阻抗,形成信号失真。由于来自电容器的充电电流具有电压依从性,因此它会产生非线性错误。对于任何信号来说,这种错误都包含谐波。

电容器电压系数特性在半导体工艺中会更加显著。由于图 1b 中的 ADC 输入具有内部输入 R/C,因此失真产生现象出现在转换器输入级内部。幸运的是,半导体厂商已经针对该错误调整了数字输出信号。此外,较小内部 ADC 电容器 (CSH) 的较大电压系数可通过较大外部电容器的电压系数拉低。

此外,电容器的电介质属性可能会引发更多与频率有关的失真。您可在图 3 中看到这些影响。

 

图 3. 电容器 THD+N 与频率的关系

图 3 是几个电容器的特性,以及其总谐波失真 + 噪声 (SINAD) 与频率性能的对比。该图中的绿线使用 C0G 电容器测得。金色线是系统测量结果。图中的其它曲线分别取自具有不同电介质 — Y5V(红)、Z5U(蓝)以及 X7R(黑)的陶瓷电容器。注意,这些类型的电容器会随频率变化而产生显著的非线性与信号失真。

图中未显示 NPO 类陶瓷电容器。NPO 类电容器与 C0G 性能基本一致。

信号失真的形式有多种,而电路信号路径中的电容器很可能是失真原因最后考虑的事情。为 C1 及 C2(图 1a)以及 CF(图 1b)选择适当的电容器类型非常关键。您会发现更高质量的外部电容器不会降低滤波器或 ADC 的性能。

 

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