Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики

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.

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

V_F – среднеквадратичное напряжение сигнала основной гармоники,
V_N – среднеквадратичное напряжение шумов,
V_i – 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.

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.

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.

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).

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

Материалы по теме