壓力引入的突發(fā)噪聲：陶瓷電容器中的顫噪

在設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲放大器電路時(shí)，我的注意力被某些有意思的運(yùn)行方式所吸引。在我的工作臺上隨意移動印刷電路板 (PCB) 使得輸出電壓突然變化!由于感到很有意思，我決定進(jìn)行一個(gè)測試：我重復(fù)輕輕敲打PCB，與此同時(shí)觀察示波器上的輸出電壓。

圖1：輕敲PCB產(chǎn)生的電路輸出

圖1中顯示的7個(gè)輸出電壓中的尖峰是我輕敲PCB的結(jié)果。很多與PCB的物理相互作用會導(dǎo)致電路輸出的變化。例如，按壓運(yùn)算放大器的封裝會改變其偏移電壓。然而，這個(gè)電路對振動非常敏感，而運(yùn)算放大器通常并未顯示出這樣的靈敏度水平。將這一點(diǎn)考慮在內(nèi)后，我將注意力轉(zhuǎn)移到PCB上的陶瓷電容器。

多層陶瓷電容器非常有用。它們提供低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 與等效串聯(lián)電感 (ESL)，以及大容積效率的獨(dú)特組合。如圖2所示，它們的結(jié)構(gòu)是陶瓷電介質(zhì)材料內(nèi)的多層金屬電極。

圖2：多層陶瓷電容器的物理結(jié)構(gòu)

鈦酸鋇 (BaTiO3) 常常被用在陶瓷電容器的電介質(zhì)中，其原因是這種物質(zhì)具有大于3000的相對電容率[1]。通常情況下，當(dāng)你縮小陶瓷電容器的物理尺寸時(shí)，電容值的增加就要求在電介質(zhì)中使用更大量的BaTiO3。撇開高電容率不說，BaTiO3具有另外一個(gè)有意思的特性：就是它的高壓電屬性。這使其成為壓電麥克風(fēng)和吉他拾音器的理想選擇!

壓電效應(yīng)是施加機(jī)械壓力時(shí)電壓產(chǎn)生的過程[2]。圖3顯示，一個(gè)陶瓷電容器被焊接在PCB上。當(dāng)向下按壓時(shí)(紅色箭頭)，PCB變形，使得電介質(zhì)伸長或被端帽壓縮(藍(lán)色箭頭)。當(dāng)我輕敲PCB時(shí)，我在陶瓷電容器上施加了一個(gè)機(jī)械壓力，導(dǎo)致電介質(zhì)中的壓電響應(yīng)，并產(chǎn)生輸出電壓。

圖3：PCB上的機(jī)械壓力通過電容器端帽連接至電介質(zhì)

壓電是安裝在高振動環(huán)境中的電子元器件的主要問題。在此類應(yīng)用中，對于高電容值，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 [3]。一個(gè)常見示例就是放置在ADC基準(zhǔn)輸入上的電容器。此電路在沒有劇烈抖動的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)良好。一旦被安裝在振動環(huán)境中，ADC讀數(shù)有可能出現(xiàn)重大誤差。電源設(shè)計(jì)人員也意識到逆壓電效應(yīng)，其中電容器上的紋波電壓使其“小聲哼唱”或抖動。

為了實(shí)現(xiàn)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(gè)問題：

1. 軟端接陶瓷電容器：這些電容器是端帽內(nèi)有柔軟且富有彈性物質(zhì)來減緩壓力的陶瓷電容器。他們曾被用在汽車應(yīng)用中，在此類應(yīng)用中，PCB彎曲會導(dǎo)致電容器故障。

2. 鉭電容器：據(jù)報(bào)道，鉭電容器未表現(xiàn)出顫噪效應(yīng)[4]。然而，他們也有某些缺陷。他們會被極化，并且通常比外形尺寸和電容值相似的陶瓷電容器具有更高的ESR和ESL。

3. 薄膜電容器：某些客戶已經(jīng)表示，在高抖動環(huán)境中使用薄膜電容器可以獲得令人滿意的結(jié)果。不好的一面是薄膜電容器通常比陶瓷或鉭電容器大，價(jià)格也高很多。

這些解決方案是組件級的，其中并不包括對PCB的可能更改，諸如應(yīng)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，并且比較他們對抖動的敏感性。