基于层陶瓷电容器实现低噪声放大器电路的设计

在设计一个低噪声放大器电路时，我的注意力被某些有意思的运行方式所吸引。在我的工作台上随意移动印刷电路板 （PCB） 使得输出电压突然变化！由于感到很有意思，我决定进行一个测试：我重复轻轻敲打PCB，与此同时观察示波器上的输出电压。

图1：轻敲PCB产生的电路输出

图1中显示的7个输出电压中的尖峰是我轻敲PCB的结果。很多与PCB的物理相互作用会导致电路输出的变化。例如，按压运算放大器的封装会改变其偏移电压。然而，这个电路对振动非常敏感，而运算放大器通常并未显示出这样的灵敏度水平。将这一点考虑在内后，我将注意力转移到PCB上的陶瓷电容器。

多层陶瓷电容器非常有用。它们提供低等效串联电阻 （ESR） 与等效串联电感 （ESL），以及大容积效率的独特组合。如图2所示，它们的结构是陶瓷电介质材料内的多层金属电极。

图2：多层陶瓷电容器的物理结构

钛酸钡 （BaTIO3） 常常被用在陶瓷电容器的电介质中，其原因是这种物质具有大于3000的相对电容率。通常情况下，当你缩小陶瓷电容器的物理尺寸时，电容值的增加就要求在电介质中使用更大量的BaTIO3。撇开高电容率不说，BaTIO3具有另外一个有意思的特性：就是它的高压电属性。这使其成为压电麦克风和吉他拾音器的理想选择！

压电效应是施加机械压力时电压产生的过程。图3显示，一个陶瓷电容器被焊接在PCB上。当向下按压时（红色箭头），PCB变形，使得电介质伸长或被端帽压缩（蓝色箭头）。当我轻敲PCB时，我在陶瓷电容器上施加了一个机械压力，导致电介质中的压电响应，并产生输出电压。

图3：PCB上的机械压力通过电容器端帽连接至电介质

压电是安装在高振动环境中的电子元器件的主要问题。在此类应用中，对于高电容值，低ESR和ESL，以及小外形尺寸的需要有可能使工程师选择一款高K陶瓷电容器（X7R，Y5V，Z5U等）。此类电容器包含高含量的BaTIO3。一个常见示例就是放置在ADC基准输入上的电容器。此电路在没有剧烈抖动的实验室环境中运转良好。一旦被安装在振动环境中，ADC读数有可能出现重大误差。电源设计人员也意识到逆压电效应，其中电容器上的纹波电压使其“小声哼唱”或抖动。

为了实现低噪声放大器电路，我选择研究几款不同的方案来解决这个问题：

1. 软端接陶瓷电容器：这些电容器是端帽内有柔软且富有d性物质来减缓压力的陶瓷电容器。他们曾被用在汽车应用中，在此类应用中，PCB弯曲会导致电容器故障。

2. 钽电容器：据报道，钽电容器未表现出颤噪效应。然而，他们也有某些缺陷。他们会被极化，并且通常比外形尺寸和电容值相似的陶瓷电容器具有更高的ESR和ESL。

3. 薄膜电容器：某些客户已经表示，在高抖动环境中使用薄膜电容器可以获得令人满意的结果。不好的一面是薄膜电容器通常比陶瓷或钽电容器大，价格也高很多。

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