堵住泄漏：當(dāng)心電容器漏電！

最近，一位客戶提出了令人費(fèi)解的電路工作情況問題。

其電路使用一款運(yùn)算放大器在極低頻率下放大擴(kuò)音器輸出。他采用大型 (47 μF) AC 耦合電容器及高輸入阻抗 (100 kΩ) 為其測量獲得低轉(zhuǎn)角頻率。

遺憾的是，運(yùn)算放大器輸出端出現(xiàn)了幾乎 1 伏特的大量 DC 失調(diào)。這是怎么回事？

我最喜歡的一句名言是丹麥物理學(xué)家 Niels Bohr 說過的：“專家就是在一個非常狹窄領(lǐng)域犯了所有可犯錯誤的人?！蔽矣X得自己還不是一名專家，但這就是我犯過的一個錯誤。

圖1

摘自 TI E2E 社區(qū)高精度放大器論壇的客戶電路圖
其運(yùn)算放大器輸出端出現(xiàn)了大量失調(diào)

看看圖 1 中的客戶原理圖，C1 電容器值可為該失調(diào)源提供重要的線索。大型電容器（特別是電解質(zhì)與鉭質(zhì)電容器）可能有極大的泄漏電流。這可導(dǎo)致在輸入電阻器 R2 上產(chǎn)生電壓，運(yùn)算放大器會對其進(jìn)行放大。

要知道泄漏電流來自哪里，我們先來看看電容器的基本結(jié)構(gòu)。

圖2

電容器的基本結(jié)構(gòu)為兩個間距為“d”的“A”面積電極板

圖 2 中的電容器包括兩個由一些絕緣物質(zhì)（藍(lán)色顯示）隔開的電極板。該結(jié)構(gòu)中的電容 C 可通過以下方程式計(jì)算：

該電容取決于：

1. 電介質(zhì) ε_r（ε_o為自由空間介電常數(shù)）的相對介電常數(shù)、
2. 電極“A”的面積以及
3. 他們的間距“d”。

該結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生電阻：

電阻 R 由介電材料“ρ”的電阻系數(shù)以及電極面積及其間距決定?？上]有完美的絕緣介電材料。實(shí)際上 Teflon 也只有 1?10²³至 1?10²⁵(Ωm) 的有限電阻系數(shù)。

R 被稱為“絕緣電阻”，與電容并列。此外，提高電容的因素還會導(dǎo)致絕緣電阻的降低。為了說明這種趨勢，我還針對幾個額定 10 V 電解質(zhì)電容器，繪制了絕緣電阻與電容的比值圖。[1] 見圖 3。

圖3

在相等電壓額定值下，電容器越大，電容器絕緣電阻越低

電容器的絕緣電阻通常取決于電容器的額定電壓，但不是所有應(yīng)用電壓都一樣。

因此，通過電容器的泄漏電流會因應(yīng)用電壓而發(fā)生極大的變化。[2]（見圖 4）

圖4

DC 泄漏在極大程度上取決于應(yīng)用電壓

通常，在 40% 的額定電壓下，泄漏電流將降至其額定值的 10%，如圖 4 所示。因此，既可提高電容器電壓額定值，降低泄漏電流，也可轉(zhuǎn)換至超低泄漏的電解化學(xué)類型。[3]

我通常采用聚丙烯薄膜電容器實(shí)現(xiàn)低泄漏耦合應(yīng)用。如果我真正需要低泄漏，我就會去我同事 Thomas Kuehl 的辦公室借真空電容器（圖 5），盡管 47 μF 的真空電容器會很大！

圖5

50 pF、20 kV 的真空電容器

在調(diào)試電路時，通常原理圖上沒有諸如耦合電容器絕緣電阻等組件，這就會帶來問題。無源組件將在理想模式下工作的假設(shè)，只是我從我努力成為一名專家過程中了解到的眾多錯誤之一。我不知道我的下一個錯誤將是什么。

參考資料：

[1]《招商簡介》，Acacia Research 公司（2013 年 2 月）；

[2] 《具有導(dǎo)電聚合物的 SMD 固態(tài)鋁電容器》，Vishay OS-CON，文件編號 90021，2012 年 8 月 28 日；

[3]《鉭質(zhì)電容器應(yīng)用手冊》，位于南卡羅來納州格林威爾的 Kemet Electronics 公司；

[4] 作者：Williams, Tim，《電路設(shè)計(jì)人員手冊》，位于 Burlington MA 的Elsevier ltd.，? 2005 年版權(quán)所有。

關(guān)于作者：John Caldwell 現(xiàn)任德州儀器高精度線性產(chǎn)品部應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)為運(yùn)算放大器與工業(yè)線性器件提供支持，專門從事針對傳感器、低噪聲設(shè)計(jì)及測量，以及電池干擾問題的高精度電路設(shè)計(jì)。John 畢業(yè)于弗吉尼亞理工學(xué)院，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位及碩士學(xué)位，主攻生物電子與儀表研究。