Kondensatory MLCC - uwaga na zniekształcenia!

Współczynnik temperaturowy MLCC zależy wprost od materiału ceramicznego dielektryka kondensatora. Dielektryki klasy I, oznaczane NP0 lub C0G, nie mogą zmieniać się więcej niż o ±30 ppm w dopuszczalnym zakresie temperatury, a klasy II o ±15% (X7R) do +22%/-82% (Z5V). Materiał izolacyjny wyznacza również własności kondensatora. Dielektryki klasy II (X7R, Z5U, Z5V) są nazywane również dielektrykami o wysokiej przenikalności względnej (o wysokim K), która wynosi od 3000 (X7R) do 18 000 (Z5U).

Dielektryki klasy I (C0G) mają przenikalność względną od 6 do 200. Dlatego MLCC o wysokim K mają znacznie większe pojemności i mniejsze rozmiary niż kondensatory C0G. Ale MLCC oprócz zalet mają też poważną wadę - duży współczynnik napięciowy uzależnienia pojemności od przyłożonego napięcia. Skutkuje to zniekształceniami kształtu napięcia zmiennego na kondensatorze, co może ujemnie wpływać na parametry układu, wprowadzając do sygnału znaczne zakłócenia nieliniowe.

Wykrywanie zniekształceń wywoływanych przez MLCC

Rys. 1. Aktywny filtr dolnoprzepustowy w układzie Sallena-Keya o częstotliwości odcięcia 1 kHz

MLCC o wysokim K, stosowane w filtrach aktywnych, filtrach ograniczających schodkowanie w przetwornikach danych i w obwodach sprzężenia zwrotnego wzmacniaczy, mogą być źródłem zniekształceń. Dla zobrazowania tego efektu za pomocą programu FilterPro utworzono aktywny dolnoprzepustowy filtr Butterwortha 1 kHz w układzie Sallena-Keya.

Zaburzenia wywoływane przez kondensatory bardzo często w znacznym stopniu degradują działanie całych układów. Projektanci chętnie wybierają niskie wartości rezystancji w celu ograniczenia ich wpływu na poziom szumów w układzie, co wymaga kondensatorów o zwiększonej pojemności. Zatem ze względu na pojemność, objętość i koszt, stosują MLCC o wysokim K.

Schemat filtra

Rys. 2. Zmierzona zależność THD+N od częstotliwości dolnoprzepustowego filtra Sallena-Keya

W pokazanym na rysunku 1 filtrze mogą być użyte MLCC C₁ i C₂ o różnego rodzaju dielektryku i rozmaitych rozmiarach, co pozwala mierzyć i bezpośrednio porównywać parametry filtra. W badaniach tych użyto niskoszumowego i o małych zniekształceniach wysokiej jakości wzmacniacza operacyjnego audio OPA1611. W celu zminimalizowania udziału rezystorów w zniekształceniach zastosowano dokładne rezystory cienkowarstwowe w obudowach 1206. Użyto kondensatorów o napięciu znamionowym 50 V. Całość została zasilona napięciem ±18 V, aby zapobiec wczesnemu nasyceniu w trakcie pomiarów.

Za ilościowe kryterium jakości układu przyjęto wielkość całkowitych zniekształceń i szumów (THD+N), obrazującą wprowadzane do sygnału pomiarowego zaburzenia i skutki jego nieliniowości. Wielkość tę można wyrazić w postaci stosunku poziomu harmonicznych i wartości skutecznej napięcia szumów systemu do wartości skutecznej napięcia składowej podstawowej sygnału.

Harmoniczne, będące całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości sygnału wejściowego, są skutkiem nieliniowości biernych elementów i układu scalonego. Na szumy całkowite składają się szumy własne układu scalonego, szumy termiczne rezystorów oraz ewentualne szumy z zewnątrz. Równanie wyrażające THD+N ma postać pierwiastka ze stosunku amplitud, gdzie V_F jest skutecznym napięciem składowej podstawowej, V_N jest skutecznym napięciem szumów, a V_I skutecznym napięciem kolejnych harmonicznych.

Pomiary THD+N w układzie filtra były dokonywane przy sygnale 1 Vsk w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz w paśmie pomiarowym 500 kHz. Rysunek 2 przedstawia zmierzoną w tym układzie zależność w dB THD+N od częstotliwości sygnału wejściowego wielkości 1 mVsk dla różnych rodzajów kondensatorów.

MLCC z dielektrykiem C0G zarówno w obudowie 1206, jak i w 0805 zapewnia filtrowi doskonałe parametry. Przebieg THD+N w badanym paśmie częstotliwości układa się na poziomie tła. Wzrost THD+N powyżej częstotliwości odcięcia filtra jest skutkiem spadku tłumienia filtra wraz z obniżaniem się stosunku amplitudy sygnału do szumowego tła.

Kondensatory z dielektrykiem X7R

Rys. 3. Widmo sygnału wyjściowego filtra dolnoprzepustowego, wysterowanego sinusoidą 500 Hz

Użycie kondensatorów z dielektrykiem X7R w obudowie 1206 wywołuje silną degradację parametrów. THD+N wzrasta przy 20 Hz o co najmniej 15 dB, a maksimum notuje się w zakresie od 400 do 800 Hz, gdzie THD osiąga wzrost o 35 dB. Kondensatory te w mniejszej obudowie 0603 wykazują dodatkowy wzrost THD+N o 10 dB w przeważającej części pasma.

Ponieważ rezystory i wzmacniacz nie zostały zmienione, zwiększenie THD+N trzeba przypisać pojawieniu się harmonicznych, wywołanych przez dielektryk X7R. Na rysunku 3 przedstawiono widmo sygnału wyjściowego przy sygnale wejściowym 500 Hz, dla kondensatorów z dielektrykiem X7R w obudowie 0603 i 1206. Wykazuje ono dużą liczbę harmonicznych z dominacją nieparzystych. Zaskakujące jest, że przy kondensatorach 0603 X7R dla 500 Hz zaobserwowano harmoniczne sięgające powyżej 20 kHz.

Identyfikacja źródła zniekształceń

Rys. 4. Zależność THD+N filtra w funkcji poziomu sygnału wejściowego 500 Hz

Dla projektanta nie zawsze jest oczywiste, czy źródłem zniekształceń jest układ scalony, czy elementy bierne. Jednym ze sposobów identyfikacji ich źródła jest pomiar THD+N w szerokim zakresie poziomu sygnału. Na rysunku 4 pokazano przebieg THD+N filtra Sallena- Keya (rys. 1) w funkcji amplitudy sygnału od 1 mVsk do 10 Vsk. Kondensatory z dielektrykiem C0G wykazują spadek THD+N ze wzrostem poziomu sygnału aż do poziomu tła przy 2 Vsk.

Ujemne nachylenie tej zależności oznacza, że stosunek sygnału do szumu maleje, a dominującym składnikiem THD+N stają się szumy. Natomiast nieliniowości w komponentach biernych są wzbudzane przy większych sygnałach, a ich wpływ wraz z poziomem sygnału wzrasta. Zjawisko to zostało uwidocznione przez krzywe dla kondensatorów z dielektrykiem X7R. Dla obudowy 0603 ujawnia się ono od 20 mVsk sygnału, a dla obudowy 1206 od 40 mVsk. Jeśli zatem układ przejawia dążność do wzrostu zniekształceń ze wzrostem amplitudy, prawdopodobnym ich źródłem są komponenty bierne (kondensatory lub rezystory).

Wzrost zniekształceń w elementach biernych przy wyższym poziomie sygnału

Rys. 5. Powiązane napięcie na kondensatorach oraz THD+N filtra dolnoprzepustowego w funkcji częstotliwości

Zniekształcenia generowane w biernych komponentach rosną ze wzrostem sygnału, zatem zniekształcenia filtra będą największe, gdy napięcie na kondensatorach osiągnie poziom maksymalny. Za pomocą symulatora SPICE można wykonać wykresy napięcia na komponentach w układzie w funkcji częstotliwości. Na rysunku 5 przedstawiono powiązane napięcie na kondensatorach C₁ i C₂ w funkcji częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz oraz THD+N dla dielektryka X7R w obudowie 1206.

Napięcia na kondensatorach C₁ i C₂ zostały powiązane funkcją pierwiastka sumy ich kwadratów, która osiąga maksimum około 600 Hz. Na rysunku 6 widać, że maksimum tego napięcia wyraźnie koreluje z maksimum przebiegu zniekształceń filtra, co sugeruje, że to kondensatory są źródłem zniekształceń sygnału wyjściowego filtra. Maksima te mogą się nieco mijać, gdy kondensatory generują zniekształcenia niejednakowo. Analizę tę można uzupełnić pomiarami sygnałów na kondensatorach.

Zakończenie

Działanie układu analogowego może zostać silnie zdegradowane przez zastosowane w nich kondensatory. Do wykazania tego efektu użyto filtra aktywnego. Z kondensatorami o dielektryku C0G filtr działał doskonale. Z kondensatorami o dielektryku X7R przy pomiarze THD+N w jego sygnale wyjściowym pojawił się znaczny poziom nieparzystych harmonicznych. Poziom ten był nieco wyższy dla kondensatorów w obudowie 0603 niż w obudowie 1206.

Identyfikacji źródła zniekształceń można dokonać dwoma metodami. Jedna polega na dokonaniu pomiarów THD+N w szerokim zakresie poziomu sygnału. Zniekształcenia powstające w komponentach biernych pojawiają się przy wyższym poziomie sygnału i rosną. Drugą metodą jest wykorzystanie symulatora SPICE do identyfikacji komponentów biernych generujących zakłócenia przez korelację częstotliwości maksymalnych zakłóceń z częstotliwościami, przy których te komponenty znajdują się pod najwyższym napięciem. MLCC o wysokim K są bardzo użyteczne w wielu aplikacjach, ale należy unikać ich stosowania w układach wrażliwych na zniekształcenia nieliniowe.

KKP