有源元件和无源元件——在工程设计领域真的是非白即黑吗？晶体管和集成电路由于利用来自电源的能量改变信号，所以被认为是有源元件。

基于这个依据，我们将电容、电阻、电感、连接器，甚至是印刷电路板(PCB)称为无源元件，因为它们看起来不耗电。

然而，由于无源元件均具有寄生参数，它们实际上也会以不可预知的方式改变信号。

所以，许多所谓的无源元件并非真的“无源”。

本文分为 3 部分，这里为第 1 部分，专注于讨论电容的有源特性。

并非完全无源的电容无源可定义为惰性和 / 或不活跃，但无源电子元件会以不可预知的方式成为有源电路的一部分。

所以，纯容性电容实际上是不存在的。

所有电容在本质上都存在一定的寄生成分(图 1)。

图 1. 电容(C)及其最大的寄生元件。

我们进一步观察图 1 所示寄生元件。

标有“C”的电容是我们的考察对象，其它所有元件则是不希望存在的寄生元件 1。

并联电阻 RL 引起泄漏，从而改变有源电路的偏置电压、滤波器的 Q 因子，并影响采样 - 保持电路的保持能力 2。

等效串联电阻(ESR)则会降低电容抑制纹波和通过高频信号的能力，因为等效串联电感(ESL)形成谐振电路(即自谐电路)。

这意味着，在自谐频率以上时，电容呈现为电感，不再具备电源与地之间的高频噪声去耦作用。

电容介质可能是压电介质，增加振动产生的噪声(AC)，就好像电容 C 内部嵌入了电池(未绘出)。

冷焊应力造成的压电效应可以改变电容值。

压电电解电容也具有等效的串联寄生二极管(未绘出)，这些二极管会对高频信号进行整流，改变偏置或增大信号失真。

较小的电池 SB1 至 SB4 表示塞贝克(Seebeck)结 3，是由不同金属(寄生热电偶)在此形成的电压源。

当我们连接测试设备时，需要考虑共用连接器的塞贝克效应。

Jim Williams 在参考文献 4 中指出，BNC 和橡胶插头连接器对的热电势范围为 0.07µV/°C 至 1.7µV/°C (附录 J，图 J5)。

这一变化只适合我们日常在实验室内部的简单连接。

将看起来较小的失调增益乘以 1000，就达到 1.7mV——这是我们尚未实际开始操作就存在的。

SB2 和 SB3 可能是电容内部连接引线的箔，或连接至焊盘或表贴元件焊料的金属化物。

SB1 和 SB4 表示器件通过焊料到 PCB 铜线的结。

以往的焊料是 63%的铅和 37%的锡，但现在使用的符合 RoHS 标准的无铅焊料成分变化很大，会影响电容附近的电压，所以必须查询合金成分。

可对介质吸收(DA)或 Bob Pease 所称的“渗透”进行建模，等效为无数个 RC 时间常数：DA1 至 DAINFINITY，其中每个时间常数由电阻 RDA 和电容 CDA 组成。

Bob Pease 列举了一些“渗透”非常重要的实例，本文附录中介绍了一段关于吸收的有趣经历。

“如果您关闭彩色电视机，然后打开后盖，那么在您开始操作之前首先必须要做的是什么？在螺丝刀上连接一条地线，然后接触高压插头上的橡胶垫圈下方，对 CRT 放电。

那好，现在电容已经放电了，如果让这一过程持续大约 10 分钟，那么有多少电压将“渗透”回显像管的“电容”？当您第二次放电时，足以造成可见的电弧 .... 这就是我所说的介质吸收 5。

”由此可见，电容会随着作用电压的改变而改变。

然后再加上老化、温度的影响，以及其它可能造成电容器物理损坏的众多因素 6，这种简单的无源元件就变得非常复杂。

现在，我们应该讨论一下与自激有关的因素，这是去耦电容以及接地不良的电容最常见的问题。

如果接地不良，任何电容都不能正常工作。

电容自激主要受图 1 所示 ESL 的影响，当然，PCB 过孔也会产生一定的影响。

工作在射频频段时，这些过孔将影响小电容的自激点。

以图 2 为例，讨论了 1µF 电容的曲线。

图 2. 三个电容的自激频率(曲线的最低点)，图示表明，电容的性能并不完全一致。

在左侧，当曲线(阻抗)向下移动时，电容表现为电容。

当达到其最低点时，电容呈现为电感(ESL)，不再是有效的去耦电容。

1µF 曲线在 4.6MHz 时达到最小，高于该频率时，ESL 占支配地位，电容的工作特性表现为电感。

由此，去耦电容在高频下称为一个双向导体：对于电源总线上的高频信号而言，电源线与地短接，反之亦然。

电容模糊了电源和地之间的差异。

随着对信号频率和电容的深入考察，我们可能忘记了所产生的谐波或边带。

例如，一个 50MHz 方波的 SPI 时钟，具有无限次的奇次谐波。

大多数系统(并非所有系统)会忽略 5 次以上的谐波，因为这些谐波的能量已经非常低，在噪底以下。

如果谐波在半导体器件中经过整流，仍可造成负面的影响，因为它们会转换成新的低频干扰。

控制生产误差从图 2 可以看出，电容在生产过程中存在不一致的问题。

一般而言，高质量电容的重复性非常好，而一些廉价电容则会受成本控制而存在较大的生产误差。

有些厂商按照严格的误差等级或标准筛选电容(图 3)，并收取高额费用。

这对用于设置系统时间或频率的电容并不适合。

图 3. 生产误差等级或筛选，会以不同方式影响电容性能。

图 3 中的实线(黑色)为一个好的生产过程的标准方差，尽管该图在 Maxim Integrated 应用笔记 4301“零晶体管 IC，IC 设计领域的又一里程碑”中用于表示电阻特性，但也同样适用于电容。

当生产误差变化时，每个“盒子”内的器件数量也随之变化。

误差曲线可向右移动(绿色虚线)，结果是没有符合 1%容限的元件；统计概率也可以是双峰曲线(灰色虚线)，得到较多的符合 5%和 10%容限的元件，而符合 1%和 2%容限的元件数量很少。

从分布特性看，“似乎”能够保证 2%容限的元件只有 -1 到 -2，或+1 到+2 (没有满足 1%容限的器件)；“好像”从 5%容限的“盒子”里移除了 1%和 2%容限的器件。

我们之所以用“看起来”和“好像”是因为销售量、人为因素也会影响分配比例。

例如，工厂经理可能急需发货 5%容限的电容，但又没有足够的产品满足本月的需求。

而库房又存放了过多的 2%容限元件。

于是，他将这些元件划分到 5%容限的“盒子”里，然后发货。

很容易解决了上述问题，人为干预(也确实这么做了)会“歪曲”统计数据和方法。

这样做对于无源电容意味着什么？我们必须了解所预期容限，比如±5%，其统计分布可能在±2%中心位置有一个缺口。

电容用于控制关键频率或定时，我们需要预先考虑到这点。

这也意味着我们需要规划，通过校准来修正较宽变化范围。

焊接对无源器件性能的影响焊接会对电容造成应力，尤其是表贴元件。

应力将随着振动产生压电电压，甚至损害电容，存在系统故障隐患。

大家对回流焊流程并不陌生，液体焊料的表面张力使元件整齐排列滚动，好像被磁铁吸住一样。

如果焊料的温度特性较差，则有可能损坏器件。

您可能在现场看到过，电容像墓碑一样单脚直立？如果焊料温度变化出现问题，既有可能引发这种情况。

请务必遵守制造商的焊接建议。

有些元件对温度更为敏感，所以可能需要用两种或多种不同温度的焊料进行焊接。

首先用高熔点焊料对电路中的大多数元件进行焊接，然后再用低温焊接“敏感”元件。

必须以正确的顺序使用焊料，避免前期焊接的器件不会随后“溶化”掉。

总结当我们讨论电容等无源元件时，必须注意这些元件均具有寄生效应，从改变了信号。

当然，这种影响取决于信号强度。

当测量微伏级信号时，需要谨慎考虑以下因素：接地(星形连接点)、屏蔽去耦电容、保护线、布局、塞贝克效应、电缆结构，以及连接器。

我们的原理图上往往忽略了这些因素，但当我们排查微弱的噪声干扰或信号时，将不得不考虑这些因素。

注意，无源电容不仅仅是一个无源元件，要比表面看起来“活跃”得多，寄生成分、误差、校准、温度、老化，甚至组装方法和操作规范都会对电路产生微妙的影响，从而影响器件性能。

了解到这一点，我们还需要理解电容器的累积误差。

在本文的后续部分，我们还将讨论其它类型的无源元件：电阻、电位器、开关，甚至是不引人注意的 PCB。

最后，AVX 和 Kemet 电容器厂商给出了电容的寄生参数，并提供免费的 Spice 工具 7。

我们可以利用这些 Spice 工具绘制电容的实际性能，也可参考这些公司网站的应用笔记获取有价值的信息。