Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

05-06-2018

Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики

Texas Instruments » OPA1611

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2018

John Caldwell, Texas Instruments

EDN

Введение

Многослойные керамические конденсаторы (multilayer ceramic capacitors – MLCC) широко используются в современной электронике благодаря высокой удельной емкости, низкому эквивалентному последовательному сопротивлению и привлекательным ценам. Эти преимущества делают MLCC почти идеальными устройствами для множества приложений, включая выходные конденсаторы источников питания и местные развязывающие конденсаторы для интегральных схем. Различия между типами MLCC определяются главным образом их температурным коэффициентом, который представляет собой величину изменения их емкости в заданном температурном диапазоне. Конденсаторы Класса I, получившие обозначение NP0 или C0G, в своем диапазоне рабочих температур должны изменяться менее чем на ±30 ppm, в то время как устройства Класса II могут изменять свою емкость от ±15% (X7R) до +22% /–82% (Z5V).

Температурный коэффициент MLCC напрямую зависит от материалов, используемых в керамике диэлектрика конденсатора. Кроме того, материал диэлектрика также определяет электрические характеристики конденсатора. Диэлектрики Класса II (X7R, Z5U, Z5V) часто характеризуются как «керамика с высокой диэлектрической проницаемостью» из-за того, что их относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 3000 (X7R) до 18000 (Z5U). Конденсаторы класса C0G имеют проницаемость от 6 до 200. Преимущество высокой диэлектрической проницаемости диэлектрика заключается в том, что сделанные на его основе MLCC имеют намного бóльшую емкость и меньшие размеры, чем конденсаторы типа C0G.

К сожалению, у этих преимуществ есть и обратная сторона. MLCC с большой диэлектрической проницаемостью диэлектрика имеют значительный коэффициент напряжения, означающий, что их емкость зависит от приложенного напряжения. В схемах переменного тока это явление проявляется в искажении формы сигнала и может поставить под угрозу характеристики системы. Когда основными конструктивными ограничениями являются площадь печатной платы и цена, системные разработчики могут поддаться искушению воспользоваться конденсаторами с большой диэлектрической проницаемостью, способными вносить существенные искажения в сигнал на пути его прохождения.

Демонстрация искажений, вносимых MLCC с большой диэлектрической проницаемостью

Примерами схем, где MLCC с высокой диэлектрической проницаемостью керамики могут вносить искажения в сигнал, служат фильтрующие цепи, антиалайзинговые фильтры преобразователей данных и конденсаторы обратной связи в усилителях. Для иллюстрации этого эффекта с помощью программы FilterPro был разработан активный фильтр Баттерворта нижних частот с полосой 1 кГц и топологией Саллена-Ки. Активные фильтры – очень распространенные приложения, где искажения от конденсаторов ухудшают общие характеристики схемы. Многие разработчики выбирают низкие сопротивления резисторов, стремясь уменьшить их вклад в уровень выходных шумов, что, соответственно, увеличивает емкости конденсаторов, необходимые для заданной частоты излома АЧХ. При таком конструктивном решении MLCC с высокой диэлектрической проницаемостью могут быть единственными доступными конденсаторами, удовлетворяющими требованиям к величине емкости, площади печатной платы и цене.

Изображенная на Рисунке 1 схема фильтра включает пассивные компоненты, номиналы которых позволяют заменять C1 и C2 многослойными конденсаторами с различными диэлектриками и различными размерами корпуса, чтобы иметь возможность напрямую сравнивать зависимость результатов измерений от выбранного типа конденсаторов. Все конденсаторы, использовавшиеся в этой тестовой схеме, имели максимальное рабочее напряжение 50 В.

Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики
Рисунок 1. Стабилитрон, два усилительных каскада и управляемый
напряжением частотный модулятор образуют генератор
дизеринга с постоянной амплитудой.

Для эксперимента был выбран высококачественный аудио операционный усилитель (ОУ) OPA1611, имеющий низкие шумы и низкие нелинейные искажения. В целях минимизации вклада резисторов в общие искажения схемы для всех значений сопротивлений использовались прецизионные тонкопленочные резисторы типоразмера 1206. Согласно [1], резисторы некоторых типов способны вносить искажения, подобные искажениям конденсаторов. Наконец, схема питалась от источника ±18 В, исключающего возможность влияния насыщения усилителя на результаты измерений.

Критерием качества, направленным на оценку количества нежелательного контента, добавленного шумами и нелинейностями схемы к выходному сигналу, служат общие гармонические искажения и шум (THD+N). Это количество может быть выражено отношением суммы величины гармоник и среднеквадратичного шума системы к уровню сигнала основной частоты. Гармоники, или сигналы с частотами, кратными частоте входного сигнала, возникают вследствие нелинейного поведения пассивных компонентов и интегральных схем. Общий шум схемы складывается из внутренних шумов интегральных схем, тепловых шумов резисторов, или может вноситься в схему внешними источниками. Рассчитать THD+N как отношение амплитуд можно с помощью следующей формулы:

где

VF – среднеквадратичное напряжение сигнала основной гармоники,
VN – среднеквадратичное напряжение шумов,
Vi – среднеквадратичное напряжение каждой гармоники.

Измерения THD+N были сделаны в схеме фильтра для сигнала 1 В с.к.з. в частотном диапазоне 20 Гц … 20 кГц при полосе измерений 500 кГц. Результаты измерений THD+N схемы в дБ относительно уровня 1 В с.к.з. для различных типов конденсаторов представлены на Рисунке 2. MLCC типоразмера 1206 с диэлектриком C0G демонстрируют исключительные характеристики: измеренные в полосе пропускания фильтра значения THD+N находятся на уровне шумового порога измерительной системы. Измерения с конденсаторами C0G типоразмера 0805 дали в точности такие же результаты, поэтому на графике они не отображены. Увеличение THD+N за пределами частоты среза фильтра вполне ожидаемо, так как затухание фильтра снижает отношение амплитуды сигнала к уровню шумового порога.

Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики
Рисунок 2. Измеренные значения THD+N фильтра нижних частот Саллена-Ки.

Замена конденсаторов X7R на 1206 привела к немедленному ухудшению характеристик схемы. На частоте 20 Гц значение THD+N увеличилось минимум на 15 дБ, а в пиках в районе между 400 и 800 Гц измеренное увеличение THD+N составило 35 дБ. Переход к конденсатору в корпусе меньшего размера (0603) еще больше увеличил THD+N, прибавив дополнительные 10 дБ в большей части спектра. Поскольку операционный усилитель и резисторы фильтра на протяжении всех тестов не менялись, рост THD+N может быть только результатом появления дополнительных гармоник, внесенных в выходной сигнал конденсаторами X7R.

На Рисунке 3 показан спектр 500-герцовой синусоиды на выходе схемы при использовании конденсаторов в корпусах 0603 и 1206 с диэлектриком X7R. В спектре присутствует большое количество гармоник основной частоты, причем хорошо видно преобладание нечетных гармоник. Может показаться удивительным, но в схеме с конденсаторами 0603 X7R при частоте входного сигнала 500 Гц наблюдаются гармоники выше 20 кГц.

Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики
Рисунок 3. Спектр синусоиды с частотой 500 Гц на выходе фильтра нижних
частот, определяющий источник искажений.

Столкнувшись с задачей поиска источника больших искажений, не каждый инженер сразу поймет, виновата ли интегральная схема или пассивные компоненты. Одним из способов определения доминирующего источника искажений может служить измерение THD+N схемы в широком диапазоне уровней сигнала (Рисунок 4). На этом графике коэффициент THD+N изображенного на Рисунке 1 фильтра Саллена-Ки показан для сигнала с частотой 500 Гц, изменяющегося в диапазоне уровней от 1 мВ с.к.з. до 10 В с.к.з. Когда в схеме устанавливались конденсаторы C0G, THD+N уменьшался с ростом размаха сигнала, достигая шумового порога измерительной системы при уровне 2 В с.к.з.

Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики
Рисунок 4. Зависимость THD+N схемы фильтра от уровня сигнала
при частоте основной гармоники 500 Гц.

Отрицательный наклон графика указывает на то, что преобладающим фактором при вычислении THD+N являются шумы схемы, создаваемые ОУ и резисторами. В этом случае измеренное значение THD+N с увеличением уровня сигнала уменьшается из-за того, что улучшается отношение напряжений сигнала и шумов. И наоборот, нелинейности пассивных компонентов усугубляются при более высоких уровнях сигнала и должны определять тенденцию к росту искажений с увеличением уровня сигнала. Это подтверждается, когда в схеме фильтра конденсаторы заменяются на X7R. Искажения, создаваемые конденсаторами X7R типоразмера 0603, увеличиваются, начиная от амплитуд сигнала 20 мВ с.к.з. Подобное же поведение демонстрируют и конденсаторы X7R типоразмера 1206 с тенденцией к росту от 40 мВ с.к.з. Таким образом, если с увеличением уровня сигнала искажения увеличиваются, скорее всего, основной вклад в снижение характеристик схемы вносится пассивными компонентами (резисторами или конденсаторами).

Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики
Рисунок 5. Объединенные напряжения на конденсаторах и измеренные значения THD+N
в схеме фильтра нижних частот.

Поскольку искажения, вносимые пассивными компонентами, увеличиваются с ростом уровней сигнала, искажения в схеме фильтра будут наибольшими, когда к конденсаторам приложено максимальное напряжение. Для построения зависимости напряжения на компонентах от частоты сигнала может использоваться бесплатный SPICE-симулятор Tina-TI компании Texas Instruments. На Рисунке 5 изображена частотная зависимость объединенных напряжений на конденсаторах C1 и C2 в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, а также THD+N фильтра для конденсаторов типоразмера 1206 с диэлектриком X7R. Корень из суммы квадратов напряжений на конденсаторах C1 и C2, объединяющий два отдельных напряжения, имеет максимум на частоте примерно 600 Гц. На Рисунке 5 видно, что этот пик напряжения конденсатора сильно коррелирует с точкой максимальных искажений и может служить очень хорошим свидетельством того, что источником дополнительных искажений на выходе фильтра являются конденсаторы. Если искажения, вносимые конденсаторами, неодинаковы, между результатами двух измерений может наблюдаться некоторое расхождение. Для более детального анализа можно определить усиление сигнала от каждого конденсатора.

Заключение

Характеристики аналоговых схем в огромной степени могут зависеть от типов конденсаторов, используемых в их конструкциях. Для демонстрации этого факта была использована схема активного фильтра. С конденсаторами C0G параметры этой схемы были очень хорошими. Однако, как только на замену им устанавливались конденсаторы с диэлектриком X7R, характеристики схемы значительно ухудшались. Конденсаторы X7R создавали на пути прохождения сигнала большое количество гармоник, причем преобладающий вклад в увеличение THD+N вносили нечетные гармоники. В частности, наихудшие характеристики показали конденсаторы X7R в корпусах 0603, а влияние конденсаторов X7R типоразмера 1206 было сравнительно небольшим.

Описанные здесь два метода могут помочь инженерам найти источник искажений в схеме. Первый метод – измерение THD+N в широком диапазоне уровней сигнала – полезен тогда, когда надо определить, ограничиваются ли параметры схемы интегральными схемами, или нелинейностью пассивных компонентов. Влияние нелинейности пассивных компонентов должно увеличиваться с ростом уровня сигнала. Второй метод – симулятор TINA-TI – может быть полезен для того, чтобы путем сопоставления частот максимальных THD+N с частотами, при которых напряжения на компонентах достигают максимальных значений, понять, какие именно из пассивных компонентов вносят основной вклад в искажения. Хотя существует множество приложений, в которых преимущества MLCC с большой диэлектрической проницаемостью диэлектрика полезны для инженеров, нецелесообразно использовать их в тех частях сигнального тракта, где большие напряжения на конденсаторах делают их источниками дополнительных искажений.

Ссылки

  1. Self, D., The Design of Active Crossovers, Elsevier Inc. 2011.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Signal distortion from high-K ceramic capacitors

Цена OPA1611OPA1611 на РадиоЛоцман.Цены — от 110 до 311 руб.
Подробную информацию уточняйте у наших менеджеров.
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
5 элементTexas InstrumentsTPS76133DBVTот 110 руб.
AliExpressOPA1611AID OPA1611AIDR OPA16112 руб.
T-electronTexas InstrumentsOPA1611AIDR141 руб.
Стандарт СИЗTexas InstrumentsOPA1611AID158 руб.
МосЧипTexas InstrumentsOPA1611AIDRпо запросу
Все 23 предложений от 17 поставщиков »
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • На самом деле в здравой памяти никто такие конденсаторы в схему фильтра совать не будет, разве что по питанию
  • Это вообще-то очевидно, если внимательно читать даташиты на конденсаторы из-за зависимости ёмкости конденсатора от напряжения... Статья: просто обращение внимание на проблему.
  • Ну почему же? В схеме, где АЧХ не важна - можно. Обеспечить минимальную постоянную времени, и не более того. Например, обратная связь в ШИМ. А так, в аудио... Не... Если только C0G. Делал в детстве усилок. Так там в ответственных местах БМ стояли. Полоса без провалов почти до 50кГц была :)
  • Это проблема и для ОС в ШИМ. Для большинства X5R X7R Y5V даже оговаривается невозможность работы со знакопеременным напряжением. Есть связь между высокой диэлектрической проницаемости и пьезоэффектом - в результате конденсатор начинает формировать механические напряжения на плате. Т.к. он держися на пайке, а речь идёт о SMD, и при этом редко кто использует клей фиксации, то это приводит к разрушению пайки или к разрушению коненсатора.
  • На рисунке 4 неверная подпись оси X. Может исправите?
  • Спасибо, обязательно исправим.
  • В подписи под рисунком 1 речь идет о генераторе дизеринга :) А нарисован ФНЧ. Скажите, спецификации NPO и C0G - это одно и то же?
  • В схеме генератором шума в широком спектре частот является стабилитрон. Каскад на ОУ лишь выделяет из общего спектра определённый диапазон. От параметров конденсаторов будет зависеть спектральное наполнение, которое и сравнивается при различных типах конденсаторов. В выделенные шумы будет подмешиваться шум, обусловленный свойствами конденсаторов. Это и называется "дизеринг". С уважением...
  • Доброго, дня. Согласен с "mikaleus" о пьезоэффекте в материале диэлектрика конденденсаторов. И клей в этом не поможет.)) Статья или написана топорно или так переведена. Об этом неоднократно писалось на форуме. Чего только стоят перлы: «керамика с высокой диэлектрической проницаемостью» , "основной вклад в снижение характеристик" и "Конденсаторы X7R создавали на пути прохождения сигнала большое количество гармоник". Учите матчасть господа переводчики!
  • Верно подмечено! Беда, коль пироги начнет печи сапожник, / А сапоги тачать пирожник. И.А. Крылов "Щука и кот"
  • Был случай выхода из строя электроники, Плата из Южной Кореи вышла из строя во время испытаний в полевых условиях. Сидим в глубокой задумчивости. Взял плату и под солнцем начал проверять пайки под лупой. И ... паянный шов треснул посередине пайки у конденсатора, не касаясь его корпуса. Возможно, под действием температуры изменялись размеры конденсатора. После прогрева шва паяльником плата заработала, что случалось уже несколько раз на других изделиях.
Полный вариант обсуждения »
Рекомендуемые публикации по теме:
Форум  »
Искажения сигнала в С1-99
Форум  »
Усилитель Электрон 104. Искажения с аудио выхода
Форум  »
Усилитель Радиотехника У-7101. Большие переходные искажения
Форум  »
Palladium 2871p shassis 7000 - подушкообразные искажения по краям экрана
Форум  »
Телевизор Elenberg 29F08. Искажения в виде подушки

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Источник питания Актаком APS-1303
Источник питания Актаком APS-1303
2 LED дисплея, 0…30 В, 0…3 А
Цена: от 9 700 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Осциллограф Rohde Schwarz RTB2002
Осциллограф Rohde&Schwarz RTB2002
Цена: от 128 тыс. руб.
Доставка: Россия
Тепловизор Testo 875-1i
Тепловизор Testo 875-1i
матрица 160x120 пкс, NETD < 50 мК
Цена: от 190 000 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Рейтинг@Mail.ru