圖1 是一些信號(hào)路徑中包含電容器的典型電路。
圖 1. 六階帶通濾波器的第一階 (a) 以及為 ADC 驅(qū)動(dòng) R/C 對(duì)的放大器 (b)
圖1a 是一個(gè) Sallen-Key 帶通濾波器級(jí)。該電路中有兩個(gè)電容器都暴露在出現(xiàn)在濾波器信號(hào)路徑中的 AC 電壓中。圖1b 是一款在 SAR-ADC 輸入驅(qū)動(dòng)器路徑中使用 R/C 網(wǎng)絡(luò)的放大器。電容器CF在到達(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 之前首先遇到輸入信號(hào)。
失真的產(chǎn)生是因?yàn)殡娙萜麟妷杭邦l率的依從特性。下列等式可描述電容隨電壓曲線的變化情況： C = C0 ( 1 + bVCAP)，其中C0 是標(biāo)稱電容，VCAP 是整個(gè)電容的電壓，b 是電容器的電壓系數(shù)。它通常包含引起非線性響應(yīng)的更高階項(xiàng)。
圖2 是電壓與電容變化的典型曲線圖。
圖 2. 電容器電壓系數(shù)
變化電容器的輸入輸出電荷可穿過相鄰阻抗，形成信號(hào)失真。由于來自電容器的充電電流具有電壓依從性，因此它會(huì)產(chǎn)生非線性錯(cuò)誤。對(duì)于任何信號(hào)來說，這種錯(cuò)誤都包含諧波。
電容器電壓系數(shù)特性在半導(dǎo)體工藝中會(huì)更加顯著。由于圖 1b 中的 ADC 輸入具有內(nèi)部輸入 R/C，因此失真產(chǎn)生現(xiàn)象出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器輸入級(jí)內(nèi)部。幸運(yùn)的是，半導(dǎo)體廠商已經(jīng)針對(duì)該錯(cuò)誤調(diào)整了數(shù)字輸出信號(hào)。此外，較小內(nèi)部 ADC 電容器 (CSH) 的較大電壓系數(shù)可通過較大外部電容器的電壓系數(shù)拉低。
此外，電容器的電介質(zhì)屬性可能會(huì)引發(fā)更多與頻率有關(guān)的失真。您可在圖 3 中看到這些影響。
圖 3. 電容器 THD+N 與頻率的關(guān)系
圖 3 是幾個(gè)電容器的特性，以及其總諧波失真 + 噪聲 (SINAD) 與頻率性能的對(duì)比。該圖中的綠線使用 C0G 電容器測(cè)得。金色線是系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果。圖中的其它曲線分別取自具有不同電介質(zhì) — Y5V（紅）、Z5U（藍(lán)）以及 X7R（黑）的陶瓷電容器。注意，這些類型的電容器會(huì)隨頻率變化而產(chǎn)生顯著的非線性與信號(hào)失真。
圖中未顯示 NPO 類陶瓷電容器。NPO 類電容器與 C0G 性能基本一致。信號(hào)失真的形式有多種，而電路信號(hào)路徑中的電容器很可能是失真原因最后考慮的事情。為 C1 及 C2（圖 1a）以及 CF（圖 1b）選擇適當(dāng)?shù)碾娙萜黝愋头浅ｊP(guān)鍵。您會(huì)發(fā)現(xiàn)更高質(zhì)量的外部電容器不會(huì)降低濾波器或 ADC 的性能。
【相關(guān)閱讀】
如何利用可編程電源和相移減少輸入電容器上的壓力
淺析超級(jí)電容器在三大領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展
小型、最大容量! 村田用于汽車的獨(dú)石陶瓷電容器開始量產(chǎn)
