Як правильно вибрати конденсатор для власної розробки?

У цій публікації розглянуто проблему оптимального вибору типу конденсатора.

Стів Гуінта

Як правильно вибрати конденсатор і як оцінити переваги та недоліки різних типів конденсаторів?

Вибрати необхідний тип конденсатора для конкретної розробки зовсім не складно. Більшість конденсаторів, що випускаються промисловістю, залежно від застосування можна поділити на чотири групи:

• розділювальні конденсатори, що розділяють сигнали постійного та змінного струму в колі корисного сигналу (рис. 1, а);

• розв’язувальні конденсатори, що фільтрують ВЧ-складову в колі постійного струму або НЧ-сигналу (рис. 1, б);

• конденсатори для частотно-вибіркових кіл, включаючи активні та пасивні фільтри (рис. 1, в);

• запам’ятовуючі конденсатори, призначені для УВХ та інтеграторів (рис. 1, г).

Незважаючи на те, що існує досить багато типів конденсаторів і серед них такі широко застосовувані, як плівкові, полістирольні, керамічні, електролітичні тощо, для кожного конкретного випадку вибір, як правило, обмежується лише кількома типами конденсаторів. Це пояснюється тим, що на попередньому етапі легко можуть бути виключені конденсатори, які або не відповідають системним вимогам, або мають високі паразитні параметри.

Походження паразитних параметрів конденсаторів

На відміну від ідеального, реальний конденсатор має паразитні параметри, що характеризуються паразитним опором або індуктивністю (рис. 2). Крім того, реальні конденсатори мають нелінійність і витік. Перелічені параметри в тій чи іншій формі наведені в технічному описі (data sheet). Знаючи величини паразитних параметрів і струми витоку, легко вибрати оптимальний конденсатор для конкретного застосування.

Вплив паразитних параметрів на характеристики конденсатора

У реальному конденсаторі наявні чотири види паразитних параметрів, що впливають на його характеристики (рис. 2):

• витоки, що характеризуються паразитним паралельним резистором RP (рис. 3, б);

• нелінійність, зумовлена паразитними послідовними опором (ESR) та індуктивністю (ESL);

• витоки, спричинені абсорбцією діелектрика (RDA, CDA).

Паразитний паралельний опір RP необхідно враховувати під час побудови УВХ та інтеграторів, а також при використанні конденсаторів у високоомних колах. В ідеальному конденсаторі заряд змінюється при протіканні зовнішнього струму (рис. 3, а). У реальному конденсаторі зміна заряду за відсутності зовнішнього струму визначається сталою часу, що дорівнює RPC (рис. 3, б).

В електролітичних конденсаторах (танталових і алюмінієвих) за великої ємності струми витоку також великі й можуть становити до 5–20 нА на одну мікрофараду. Тому конденсатори цього типу не використовуються для зберігання зарядів. Найкращими для такого застосування є тефлонові конденсатори та інші конденсатори з полімерним ізолятором (поліпропіленом, полістиролом тощо).

Еквівалентний послідовний опір (ESR)

Еквівалентний послідовний опір (Equivalent Series Resistance — ESR) RS (рис. 2). Послідовний опір конденсатора визначається еквівалентним опором виводів і пластин. Цей опір зумовлює втрати в конденсаторі, які можуть бути суттєвими при протіканні через нього великого змінного струму. Наявність такого опору призводить до імпульсних завад, якщо конденсатор використовується як розв’язувальний у колах живлення або як прохідний у радіочастотних колах. У прецизійних аналогових колах із високим імпедансом ESR призводить до збільшення похибки.

Мінімальне значення ESR притаманне слюдяним і плівковим конденсаторам.

Еквівалентна послідовна індуктивність (ESL)

Еквівалентна послідовна індуктивність (Equivalent Series Inductance — ESL) LS (рис. 2). Послідовна індуктивність конденсатора визначається еквівалентною індуктивністю виводів і пластин конденсатора. ESL, подібно до ESR, може спричиняти спотворення не лише у високочастотних, а й у низькочастотних колах і навіть на постійному струмі. Причина полягає в тому, що транзистори, які використовуються в прецизійних колах, можуть мати досить велике підсилення в широкій, аж до одиниць гігагерц, смузі частот, у зв’язку з чим ці транзистори можуть підсилювати слабкі сигнали, що виникають у паразитному коливальному контурі. Паразитна індуктивність призводить до спотворень у високочастотних колах розв’язки.

Електролітичні паперові або плівкові конденсатори не призначені для використання в колах розв’язки високочастотних кіл. Ці конденсатори складаються з шару фольги та двох шарів ізолятора, згорнутих у рулон. Така конструкція призводить до утворення великої паразитної індуктивності, що суттєво впливає на роботу пристрою в смузі радіочастот.

Більш придатними для використання в колах розв’язки радіопристроїв є керамічні конденсатори, які мають мінімальну паразитну індуктивність. Вони мають багатошарову конструкцію, у якій шари металевої фольги ізольовані один від одного керамічним діелектриком. Така конструкція, на відміну від рулонної, має класичну структуру, тому паразитна індуктивність керамічних конденсаторів нижча за індуктивність електролітичних.

Недоліком керамічних конденсаторів є слабка стійкість до вібрацій. Деякі з них можуть самозбуджуватися, незважаючи на мінімальні ESR та ESL. Дискові керамічні конденсатори мають мінімальну вартість, однак їх ESL є вищою порівняно з паразитною індуктивністю керамічних конденсаторів в іншому конструктивному виконанні.

Коефіцієнт розсіювання (DF)

У деяких описах використовується термін «коефіцієнт розсіювання» (dissipation factor, DF). Деякі виробники замість витоку, ESR та ESL конденсатора використовують узагальнений параметр, що отримав назву «коефіцієнт розсіювання» і характеризує інтегральну якість конденсатора. Цей коефіцієнт визначається відношенням розсіяної енергії до енергії зберігання за один цикл заряду. Фактично значення цього коефіцієнта еквівалентне коефіцієнту потужності або cosφ. На високих частотах фактор розсіювання добре моделюється паразитним послідовним резистором, тобто на цікавій для нас частоті відношення ESR до повного опору конденсатора дає змогу визначити коефіцієнт розсіювання DF:

DF = ωRSC.

Коефіцієнт розсіювання може бути поданий в одиницях заряду, що іноді зустрічається в технічних описах.

Діелектрична абсорбція

Монолітні керамічні конденсатори непридатні для використання в УВХ та інших пристроях, у яких конденсатор застосовується для зберігання заряду, внаслідок значної діелектричної абсорбції. Через діелектричну абсорбцію відбувається розряд конденсатора. Для відновлення заряду необхідно використовувати зовнішні кола. Величина заряду, необхідна для підзаряду конденсатора до початкового значення, визначає похибку УВХ, у якому використовується даний конденсатор (рис. 4).

В УВХ використовуються конденсатори з мінімальною діелектричною абсорбцією. До таких конденсаторів належать тефлонові та інші полімерні конденсатори. Розряд цих конденсаторів унаслідок діелектричної абсорбції не перевищує 0,01 % за цикл зберігання.

Рекомендації щодо розв’язки та монтажу

На завершення зазначимо, що найкращим рішенням питання розв’язки в колах живлення є використання паралельно ввімкнених керамічного та електролітичного (наприклад, танталового) конденсаторів. Таке ввімкнення конденсаторів однаково добре працює на високих і низьких частотах. Немає необхідності використовувати електролітичний конденсатор для кожної ІМС на друкованій платі. Якщо відстань між ІМС на платі не перевищує 10 см, достатньо використовувати один танталовий конденсатор на кілька ІМС. Крім того, необхідно пам’ятати, що на радіочастотах навіть невеликий провідник має досить велику індуктивність, тому конденсатор потрібно розміщувати якомога ближче до корпусу ІМС. Довжина його виводів не повинна перевищувати 1,5 мм (рис. 5). Бажано використовувати як конденсатори розв’язки чип-конденсатори, призначені для технології поверхневого монтажу.

В УВХ використовуються конденсатори з мінімальною діелектричною абсорбцією. До таких конденсаторів належать тефлонові та інші полімерні конденсатори. Розряд цих конденсаторів унаслідок діелектричної абсорбції не перевищує 0,01 % за цикл зберігання.

Рекомендації щодо розв’язки та монтажу

На завершення зазначимо, що найкращим рішенням питання розв’язки в колах живлення є використання паралельно ввімкнених керамічного та електролітичного (наприклад, танталового) конденсаторів. Таке ввімкнення конденсаторів однаково добре працює на високих і низьких частотах. Немає необхідності використовувати електролітичний конденсатор для кожної ІМС на друкованій платі. Якщо відстань між ІМС на платі не перевищує 10 см, достатньо використовувати один танталовий конденсатор на кілька ІМС. Крім того, необхідно пам’ятати, що на радіочастотах навіть невеликий провідник має досить велику індуктивність, тому конденсатор потрібно розміщувати якомога ближче до корпусу ІМС. Довжина його виводів не повинна перевищувати 1,5 мм (рис. 5). Бажано використовувати як конденсатори розв’язки чип-конденсатори, призначені для технології поверхневого монтажу.

Якщо електрична проникність склотекстоліту ER становить 4,7, d = 1,5 мм, паразитна ємність між провідниками на протилежних сторонах друкованої плати може становити 3 пФ/см². На частоті 250 МГц імпеданс між провідниками для такої ємності дорівнює 212,2 Ом (рис. 6).

Яким чином можна виключити паразитну ємність?

Виключити паразитну ємність практично неможливо, однак можна зменшити її величину.

Як це можна зробити?

Один зі шляхів зменшення паразитної ємності — це використання екрана, який являє собою заземлений провідник між двома електрично пов’язаними джерелами (у нашому випадку — паралельними провідниками).

Поясніть, як працює екран?

Еквівалентна схема джерела шуму, що надходить у пристрій через паразитний конденсатор, наведена на рис. 8. Спрощена схема екранування цього шуму представлена на рис. 9. Як випливає з цього рисунка, напруга шуму за допомогою екрана заземлюється і не надходить на вхід пристрою.

Приклад формування паразитної ємності в керамічному DIP-корпусі ІМС наведено на рис. 10. Керамічний DIP-корпус, як правило, має зверху металеву пластину з ковара. Більшість логічних ІМС мають заземлюваний вивід, розташований у лівому куті корпусу, і цей вивід ІМС з’єднаний з металевою пластиною та завжди заземлений. Аналогові ІМС можуть не мати заземлюваного виводу, що призводить до утворення паразитних ємностей між виводами (рис. 11). У зв’язку з тим, що керамічні корпуси мають зовнішній металевий екран, для зменшення рівня шуму, що впливає на ІМС, екран слід заземлювати (рис. 10). Якщо корпус ІМС виконаний з пластмаси, слід установити на корпус екранувальну металеву кліпсу і заземлити її. Перед тим як заземлювати металевий корпус ІМС, необхідно переконатися, що він не з’єднаний із заземлюваним виводом або з виводом живлення цієї ІМС. У деяких ІМС зовнішній екран підключений до однієї з напруг живлення. Слід зазначити, що паразитна ємність між виводами ІМС перебуває в межах від 0,05 до 0,6 пФ (рис. 11). При підключенні, наприклад, швидкодіючого АЦП або ЦАП до шини даних паразитні ємності (рис. 12) можуть впливати на швидкість наростання вхідного (вихідного) аналогового сигналу. Для швидкодіючих перетворювачів ця величина може становити від 2 до 5 В/нс. Знизити вплив паразитних ємностей на роботу швидкодіючих АЦП і ЦАП можна шляхом гальванічної розв’язки аналогових вузлів і цифрових інтерфейсів (рис. 13). Це потребує застосування додаткових компонентів, призводить до збільшення споживаної потужності, однак дає змогу поліпшити параметри перетворювача.

На завершення наведемо порівняльну таблицю основних параметрів сучасних конденсаторів.

Таблиця порівняльних параметрів конденсаторів