Как правильно выбрать конденсатор для своей разработки?

В настоящей публикации рассмотрена пробле­ма оптимального выбора типа конденсатора.

Стив Гуинта

Как правильно выбрать конденсатор и как оценить преимущества и недостатки разных типов конденса­торов?

Выбрать необходимый тип конденсатора для кон­кретной разработки совсем не трудно. Большинство выпускаемых промышленностью конденсаторов в за­висимости от применения можно разделить на четы­ре группы:

• разделительные конденсаторы, разделяющие сигналы постоянного и переменного тока в цепи полезного сигнала (рис. 1, а)
• развязывающие конденсаторы, фильтрующие ВЧ-составляющую в цепи постоянного тока или НЧ-сигнала (рис. 1, б)
• конденсаторы для частотно-избирательных це­пей, включая активные и пассивные фильтры

(рис. 1, в)

• запоминающие конденсаторы, предназначенные для УВХ и интеграторов (рис. 1, г).

Рис. 1. Особенности применения конденсаторов

Несмотря на то, что существует достаточно много типов конденсаторов и среди них такие широко при­меняемые, как пленочные, полистирольные, керами­ческие, электролитические и т.д., для каждого кон­кретного случая выбор, как правило, ограничивается всего несколькими типами конденсаторов. Это объяс­няется тем, что на предварительном этапе легко могут быть исключены конденсаторы, которые или не отве­чают системным требованиям, или их паразитные па­раметры высоки.

Поясните происхождение паразитных параметров конденсаторов?

В отличие от идеального, реальный конденсатор имеет паразитные параметры, характеризуемые па­разитным сопротивлением или индуктивностью (рис. 2). Кроме того, реальные конденсаторы облада­ют нелинейностью и имеют утечку. Перечисленные параметры в том или ином виде указаны в техничес­ком описании (data sheet). Зная величину паразитных параметров и токи утечки, легко выбрать оптималь­ный конденсатор для конкретного применения.

Рис. 2. Электрическая модель реального конденсатора

Как паразитные параметры влияют на характерис­тики конденсатора?

В реальном конденсаторе имеются четыре вида паразитных параметров, влияющих на его характе­ристики (рис. 2):

• утечки, характеризуемые паразитным параллель­ным резистором R_P (рис. 3, б)
• нелинейность, вызванная паразитными последо­вательными сопротивлением (ESR) и индуктив­ностью (ESL)
• утечки, вызванные абсорбцией диэлектрика (R_DA, CDA).

Паразитное параллельное сопротивление R_P необходимо учитывать при построении УВХ и интег­раторов, а также при использовании конденсаторов в высокоомных цепях. В идеальном конденсаторе за­ряд изменяется при протекании внешнего тока (рис. 3, а). В реальном конденсаторе изменение за­ряда при отсутствии внешнего тока определяется постоянной времени, равной R_PC (рис. 3, б).

Рис. 3. Модели конденсаторов: идеального (а) и реального с цепью утечки (б)

В электролитических конденсаторах (танталовых и алюминиевых) при большой емкости токи утечки то­же велики и могут составлять до 5-20 нА на одну микрофараду. Поэтому конденсаторы этого типа не используются для хранения зарядов. Наилучшими для такого применения являются тефлоновые кон­денсаторы и другие конденсаторы с полимерным изолятором (полипропиленом, полистиролом и т.д.)

Эквивалентное последовательное сопротив­ление (Equivalent Series Resistance – ESR) R_S (рис. 2). Последовательное сопротивление конденсатора определяется эквивалентным сопротивлением выво­дов и пластин. Это сопротивление обусловливает по­тери в конденсаторе, которые могут быть существен­ными при протекании через него большого перемен­ного тока. Наличие такого сопротивления приводит к импульсным помехам, если конденсатор использует­ся как развязывающий в цепях питания или в качестве проходного в радиочастотных цепях. В прецизион­ных аналоговых цепях с высоким импедансом ESR приводит к увеличению погрешности.

Минимальная величина ESR присуща слюдяным и пленочным конденсаторам.

Эквивалентная последовательная индуктив­ность (Equivalent Series Inductance – ESL) L_S (рис. 2). Последовательная индуктивность конденсатора определяется эквивалентной индуктивностью выво­дов и пластин конденсатора. ESL подобно ESR может вызвать искажения не только в высокочастотных, но и в низкочастотных цепях и даже на постоянном токе. Причина заключается в том, что используемые в пре­цизионных цепях транзисторы могут иметь достаточ­но высокое усиление в широкой, вплоть до единиц ги­гагерц, полосе частот, в связи с чем эти транзисторы могут усиливать слабые сигналы, возникающие в па­разитном колебательном контуре. Паразитная индуктивность приводит к искажениям в высокочастотных цепях развязки.

Электролитические бумажные или пленочные кон­денсаторы не предназначены для использования в цепях развязки высокочастотных цепей. Эти конден­саторы состоят из слоя фольги и двух слоев изолято­ра, свернутых в рулон. Такая конструкция приводит к образованию большой паразитной индуктивности, оказывающей существенное влияние на работу уст­ройства в полосе радиочастот.

Более предпочтительными для использования в цепях развязки радиоустройств являются керамичес­кие конденсаторы, имеющие минимальную паразит­ную индуктивность. Они имеют многослойную конструкцию, в которой слои металлической фольги изолированы друг от друга керамическим диэлектри­ком. Такая конструкция, в отличие от рулонной, имеет классическую структуру, поэтому паразитная индук­тивность керамических конденсаторов ниже индук­тивности электролитических.

Недостатком керамических конденсаторов явля­ется слабая устойчивость к вибрациям. Некоторые из них могут самовозбуждаться, несмотря на минималь­ные ESR и ESL. Дисковые керамические конденсато­ры имеют минимальную стоимость, однако их ESL вы­ше по сравнению с паразитной индуктивностью кера­мических конденсаторов в другом конструктивном исполнении.

В некоторых описаниях используется термин “ко­эффициент рассеяния” (dissipation factor, DF). Пояс­ните, пожалуйста, его смысл?

Некоторые производители вместо утечки, ESR и ESL конденсатора используют обобщенный пара­метр, получивший название “коэффициент рассея­ния” и характеризующий интегральное качество кон­денсатора. Этот коэффициент определяется отноше­нием рассеиваемой энергии к энергии хранения за один цикл заряда. Фактически, значение этого коэф­фициента эквивалентно коэффициенту мощности или cos^. На высоких частотах фактор рассеяния хорошо моделируется паразитным последовательным резис­тором, т.е. на интересующей нас частоте отношение ESR к полному сопротивлению конденсатора позво­ляет определить коэффициент рассеяния DF

DF=oR_SC.

Коэффициент рассеяния может быть представлен в единицах заряда, что иногда встречается в техни­ческих описаниях.

Диэлектрическая абсорбция. Монолитные ке­рамические конденсаторы непригодны для использо­вания в УВХ и других устройствах, в которых конден­сатор применяется для хранения заряда, вследствие значительной диэлектрической абсорбции. Из-за ди­электрической абсорбции происходит разряд конденсатора. Для восстановления заряда необходимо использовать внешние цепи. Величина заряда, необ­ходимая для подзаряда конденсатора до первона­чального значения, определяет погрешность УВХ, в котором используется данный конденсатор (рис. 4).

Рис. 4. Схема заряда конденсатора (а) и временная диаграмма разряда (б), вызванного диэлектрической абсорбцией

В УВХ используются конденсаторы с минимальной диэлектрической абсорбцией. К таким конденсато­рам относятся тефлоновые и другие полимерные кон­денсаторы. Разряд этих конденсаторов вследствие диэлектрической абсорбции не превышает 0.01% за цикл хранения.

В заключение отметим, что наилучшим решением вопроса развязки в цепях питания является использо­вание параллельно включенных керамического и электролитического (например, танталового) конден­саторов. Такое включение конденсаторов одинаково хорошо работает на высоких и низких частотах. Нет не­обходимости использовать электролитический кон­денсатор для каждой ИМС на печатной плате. Если расстояние между ИМС на плате не превышает 10 см, достаточно использовать один танталовый конденса­тор на несколько ИМС. Кроме того, необходимо пом­нить, что на радиочастотах даже небольшой проводник имеет достаточно большую индуктивность, поэтому конденсатор нужно располагать как можно ближе к корпусу ИМС. Длина его выводов должна быть не бо­лее 1.5 мм (рис. 5). Предпочтительнее использовать в качестве конденсаторов развязки чип-конденсаторы, предназначенные для технологии поверхностного монтажа.

Рис. 4. Схема заряда конденсатора (а) и временная диаграмма разряда (б), вызванного диэлектрической абсорбцией

В УВХ используются конденсаторы с минимальной диэлектрической абсорбцией. К таким конденсато­рам относятся тефлоновые и другие полимерные кон­денсаторы. Разряд этих конденсаторов вследствие диэлектрической абсорбции не превышает 0.01% за цикл хранения.

В заключение отметим, что наилучшим решением вопроса развязки в цепях питания является использо­вание параллельно включенных керамического и электролитического (например, танталового) конден­саторов. Такое включение конденсаторов одинаково хорошо работает на высоких и низких частотах. Нет не­обходимости использовать электролитический кон­денсатор для каждой ИМС на печатной плате. Если расстояние между ИМС на плате не превышает 10 см, достаточно использовать один танталовый конденса­тор на несколько ИМС. Кроме того, необходимо пом­нить, что на радиочастотах даже небольшой проводник имеет достаточно большую индуктивность, поэтому конденсатор нужно располагать как можно ближе к корпусу ИМС. Длина его выводов должна быть не бо­лее 1.5 мм (рис. 5). Предпочтительнее использовать в качестве конденсаторов развязки чип-конденсаторы, предназначенные для технологии поверхностного монтажа.

Рис. 6. Модель паразитного конденсатора

Рис. 7. Образование паразитного конденсатора на печатной плате: вид сверху (а), вид в разрезе (б)

Если электрическая проницаемость стеклотексто­лита E_R составляет 4.7, d=1.5 мм, паразитная емкость между проводниками на противоположных сторонах печатной платы может составить 3 пФ/см². На часто­те 250 МГц импеданс между проводниками для такой емкости равен 212.2 Ом (рис. 6).

Каким образом можно исключить паразитную ем­кость?

Исключить паразитную емкость практически не­возможно, однако можно уменьшить ее величину.

Как это можно сделать?

Один из путей уменьшения паразитной емкости – это использование экрана, который представляет со­бой заземленный проводник между двумя электри­чески связанными источниками (в нашем случае – параллельными проводниками).

Поясните, как работает экран?

Эквивалентная схема источника шума, поступаю­щего в устройство через паразитный конденсатор, приведена на рис. 8. Упрощенная схема экранирова­ния этого шума представлена на рис. 9. Как следует из этого рисунка, напряжение шума с помощью экра­на заземляется и не поступает на вход устройства.

Рис. 8. Эквивалентная схема источников шумов, проникающих в устройство через паразитный конденсатор

Рис. 9. Эквивалентные схемы, поясняющие принцип экранирования устройства от воздействия шумов, проникающих через паразитный конденсатор

Пример формирования паразитной емкости в ке­рамическом DIP-корпусе ИМС приведен на рис. 10. Керамический DIP-корпус, как правило, имеет сверху металлическую пластину из ковара. Большинство ло­гических ИМС имеют заземляемый вывод, располо­женный в левом углу корпуса, и этот вывод ИМС сое­динен с металлической пластинкой и всегда зазем­лен. Аналоговые ИМС могут не иметь заземляемого вывода, что приводит к образованию паразитных ем­костей между выводами (рис. 11). В связи с тем, что керамические корпуса имеют внешний металличес­кий экран, для уменьшения уровня шума, воздейству­ющего на ИМС, экран следует заземлять (рис. 10). Если корпус ИМС выполнен из пластмассы, следует установить на корпус экранирующую металлическую клипсу и заземлить ее. Перед тем как заземлить ме­таллический корпус ИМС необходимо убедиться, что

он не соединен с заземляемым выводом или с выво­дом питания этой ИМС. В некоторых ИМС внешний экран подключен к одному из напряжений питания. Следует отметить, что паразитная емкость между вы­водами ИМС находится в пределах от 0.05 до 0.6 пФ, рис.11. При подключении, например, быстродейству­ющего АЦП или ЦАП к шине данных паразитные ем­кости (рис. 12) могут оказать влияние на скорость на­растания входного (выходного) аналогового сигнала. Для быстродействующих преобразователей эта вели­чина может составлять от 2 до 5 В/нс. Снизить влия­ние паразитных емкостей на работу быстродействующих АЦП и ЦАП можно путем гальванической развяз­ки аналоговых узлов и цифровых интерфейсов (рис. 13). Это требует применения дополнительных компонентов, приводит к увеличению потребляемой мощности, однако позволяет улучшить параметры преобразователя.

В заключение приведем сравнительную таблицу основных параметров современных конденсаторов.

Рис. 10. DIP-корпус ИМС с заземляемым экраном

Рис. 11. Паразитная емкость между выводами ИМС в DIP-корпусе

Рис. 12. Образование паразитной емкости при работе АЦП или ЦАП на шину данных

Рис. 13. Пример гальванической развязки аналоговых и цифровых узлов преобразователей

Таблица сравнительных параметров конденсаторов