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PCB精講:陶瓷電容器中的顫噪

發(fā)布時(shí)間:2015-06-12 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】我們經(jīng)常會(huì)在設(shè)計(jì)低噪聲放大器電路時(shí)被運(yùn)行方式所吸引,但是當(dāng)我們移動(dòng)印刷電路板PCB時(shí),輸出電壓竟會(huì)隨之變化。當(dāng)我們輕敲PCB時(shí)示波器上的輸出電壓也會(huì)隨之變化。本文就來(lái)講解PCB中的陶瓷電容器的顫噪。

PCB精講:陶瓷電容器中的顫噪
圖1:輕敲PCB產(chǎn)生的電路輸出

圖1中顯示的7個(gè)輸出電壓中的尖峰是我輕敲PCB的結(jié)果。很多與PCB的物理相互作用會(huì)導(dǎo)致電路輸出的變化。例如,按壓運(yùn)算放大器的封裝會(huì)改變其偏移電壓。然而,這個(gè)電路對(duì)振動(dòng)非常敏感,而運(yùn)算放大器通常并未顯示出這樣的靈敏度水平。將這一點(diǎn)考慮在內(nèi)后,我將注意力轉(zhuǎn)移到PCB上的陶瓷電容器。

多層陶瓷電容器非常有用。它們提供低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 與等效串聯(lián)電感 (ESL),以及大容積效率的獨(dú)特組合。如圖2所示,它們的結(jié)構(gòu)是陶瓷電介質(zhì)材料內(nèi)的多層金屬電極。

PCB精講:陶瓷電容器中的顫噪
圖2:多層陶瓷電容器的物理結(jié)構(gòu)時(shí)

鈦酸鋇 (BaTiO3) 常常被用在陶瓷電容器的電介質(zhì)中,其原因是這種物質(zhì)具有大于3000的相對(duì)電容率。通常情況下,當(dāng)你縮小陶瓷電容器的物理尺寸時(shí),電容值的增加就要求在電介質(zhì)中使用更大量的BaTiO3。撇開(kāi)高電容率不說(shuō),BaTiO3具有另外一個(gè)有意思的特性:就是它的高壓電屬性。這使其成為壓電麥克風(fēng)和吉他拾音器的理想選擇!

壓電效應(yīng)是施加機(jī)械壓力時(shí)電壓產(chǎn)生的過(guò)程。圖3顯示,一個(gè)陶瓷電容器被焊接在PCB上。當(dāng)向下按壓時(shí)(紅色箭頭),PCB變形,使得電介質(zhì)伸長(zhǎng)或被端帽壓縮(藍(lán)色箭頭)。當(dāng)我輕敲PCB時(shí),我在陶瓷電容器上施加了一個(gè)機(jī)械壓力,導(dǎo)致電介質(zhì)中的壓電響應(yīng),并產(chǎn)生輸出電壓。

PCB精講:陶瓷電容器中的顫噪
圖3:PCB上的機(jī)械壓力通過(guò)電容器端帽連接至電介質(zhì)

壓電是安裝在高振動(dòng)環(huán)境中的電子元器件的主要問(wèn)題。在此類應(yīng)用中,對(duì)于高電容值,低ESR和ESL,以及小外形尺寸的需要有可能使工程師選擇一款高K陶瓷電容器(X7R,Y5V,Z5U等)。此類電容器包含高含量的BaTiO3 。一個(gè)常見(jiàn)示例就是放置在ADC基準(zhǔn)輸入上的電容器。此電路在沒(méi)有劇烈抖動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)良好。一旦被安裝在振動(dòng)環(huán)境中,ADC讀數(shù)有可能出現(xiàn)重大誤差。電源設(shè)計(jì)人員也意識(shí)到逆壓電效應(yīng),其中電容器上的紋波電壓使其“小聲哼唱”或抖動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器電路,我選擇研究幾款不同的方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題:

1. 軟端接陶瓷電容器:這些電容器是端帽內(nèi)有柔軟且富有彈性物質(zhì)來(lái)減緩壓力的陶瓷電容器。他們?cè)挥迷谄噾?yīng)用中,在此類應(yīng)用中,PCB彎曲會(huì)導(dǎo)致電容器故障。

2. 鉭電容器:據(jù)報(bào)道,鉭電容器未表現(xiàn)出顫噪效應(yīng)。然而,他們也有某些缺陷。他們會(huì)被極化,并且通常比外形尺寸和電容值相似的陶瓷電容器具有更高的ESR和ESL。

3. 薄膜電容器:某些客戶已經(jīng)表示,在高抖動(dòng)環(huán)境中使用薄膜電容器可以獲得令人滿意的結(jié)果。不好的一面是薄膜電容器通常比陶瓷或鉭電容器大,價(jià)格也高很多。

這些解決方案是組件級(jí)的,其中并不包括對(duì)PCB的可能更改,諸如應(yīng)力消除斷流器。在下一篇博文中,我將在同一電路中測(cè)試每一款電容器,并且比較他們對(duì)抖動(dòng)的敏感性。

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