博客精選:壓力引入突發噪聲,陶瓷電容器的顫噪
發布時間:2015-03-17 責任編輯:echolady
【導讀】一些網友發現,在設計低噪聲放大器電路時,一些有趣的運行方式引起關注。隨意移動的印刷電路板(PCB)使得輸出電壓突然發生了變化。網友感覺很有意思,於是決定進行一個科學測試:重複敲打PCB,觀察示波器上的輸出電壓。

圖1:輕敲PCB產生的電路輸出
圖1中顯示的7個輸出電壓中的尖峰是我輕敲PCB的結果。很多與PCB的de物wu理li相xiang互hu作zuo用yong會hui導dao致zhi電dian路lu輸shu出chu的de變bian化hua。例li如ru,按an壓ya運yun算suan放fang大da器qi的de封feng裝zhuang會hui改gai變bian其qi偏pian移yi電dian壓ya。然ran而er,這zhe個ge電dian路lu對dui振zhen動dong非fei常chang敏min感gan,而er運yun算suan放fang大da器qi通tong常chang並bing未wei顯xian示shi出chu這zhe樣yang的de靈ling敏min度du水shui平ping。將jiang這zhe一yi點dian考kao慮lv在zai內nei後hou,我wo將jiang注zhu意yi力li轉zhuan移yi到daoPCB上的陶瓷電容器。
多層陶瓷電容器非常有用。他們提供低等效串聯電阻 (ESR) 與等效串聯電感 (ESL),以及大容積效率的獨特組合。如圖2所示,他們的結構是陶瓷電介質材料內的多層金屬電極。

圖2:多層陶瓷電容器的物理結構
鈦酸鋇 (BaTiO3) 常常被用在陶瓷電容器的電介質中,其原因是這種物質具有大於3000的相對電容率。通常情況下,當你縮小陶瓷電容器的物理尺寸時,電容值的增加就要求在電介質中使用更大量的BaTiO3。撇開高電容率不說,BaTiO3具有另外一個有意思的特性:就是他的高壓電屬性。這使其成為壓電麥克風和吉他拾音器的理想選擇!
壓電效應是施加機械壓力時電壓產生的過程。圖3顯示,一個陶瓷電容器被焊接在PCB上。當向下按壓時(紅色箭頭),PCB變形,使得電介質伸長或被端帽壓縮(藍色箭頭)。當我輕敲PCB時,我在陶瓷電容器上施加了一個機械壓力,導致電介質中的壓電響應,並產生輸出電壓。

圖3:PCB上的機械壓力通過電容器端帽連接至電介質
壓電是安裝在高振動環境中的電子元器件的主要問題。在此類應用中,對於高電容值,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 。一個常見示例就是放置在ADC基準輸入上的電容器。此電路在沒有劇烈抖動的實驗室環境中運轉良好。一旦被安裝在振動環境中,ADC讀數有可能出現重大誤差。電源設計人員也意識到逆壓電效應,其中電容器上的紋波電壓使其“小聲哼唱”或抖動。
為了實現低噪聲放大器電路,我選擇研究幾款不同的方案來解決這個問題:
軟端接陶瓷電容器:這些電容器是端帽內有柔軟且富有彈性物質來減緩壓力的陶瓷電容器。他們曾被用在汽車應用中,在此類應用中,PCB彎曲會導致電容器故障。
鉭電容器:據(ju)報(bao)道(dao),鉭(tan)電(dian)容(rong)器(qi)未(wei)表(biao)現(xian)出(chu)顫(chan)噪(zao)效(xiao)應(ying)。然(ran)而(er),他(ta)們(men)也(ye)有(you)某(mou)些(xie)缺(que)陷(xian)。他(ta)們(men)會(hui)被(bei)極(ji)化(hua),並(bing)且(qie)通(tong)常(chang)比(bi)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)和(he)電(dian)容(rong)值(zhi)相(xiang)似(si)的(de)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)ESR和ESL。
薄膜電容器:某(mou)些(xie)客(ke)戶(hu)已(yi)經(jing)表(biao)示(shi),在(zai)高(gao)抖(dou)動(dong)環(huan)境(jing)中(zhong)使(shi)用(yong)薄(bo)膜(mo)電(dian)容(rong)器(qi)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)的(de)結(jie)果(guo)。不(bu)好(hao)的(de)一(yi)麵(mian)是(shi)薄(bo)膜(mo)電(dian)容(rong)器(qi)通(tong)常(chang)比(bi)陶(tao)瓷(ci)或(huo)鉭(tan)電(dian)容(rong)器(qi)大(da),價(jia)格(ge)也(ye)高(gao)很(hen)多(duo)。
這些解決方案是組件級的,其中並不包括對PCB的可能更改,諸如應力消除斷流器。在下一篇博文中,我將在同一電路中測試每一款電容器,並且比較他們對抖動的敏感性。
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