在設計一個低噪聲放大器電路時，我的注意力被某些有意思的運行方式所吸引。在我的工作臺上隨意移動印刷電路板 (PCB) 使得輸出電壓突然變化！由于感到很有意思，我決定進行一個測試：我重復輕輕敲打PCB，與此同時觀察示波器上的輸出電壓。
圖1：輕敲PCB產生的電路輸出
圖1中顯示的7個輸出電壓中的尖峰是我輕敲PCB的結果。很多與PCB的物理相互作用會導致電路輸出的變化。例如，按壓運算放大器的封裝會改變其偏移電壓。然而，這個電路對振動非常敏感，而運算放大器通常并未顯示出這樣的靈敏度水平。將這一點考慮在內后，我將注意力轉移到PCB上的陶瓷電容器。
多層陶瓷電容器非常有用。它們提供低等效串聯電阻 (ESR) 與等效串聯電感 (ESL)，以及大容積效率的獨特組合。如圖2所示，它們的結構是陶瓷電介質材料內的多層金屬電極。
圖2：多層陶瓷電容器的物理結構
鈦酸鋇 (BaTiO3) 常常被用在陶瓷電容器的電介質中，其原因是這種物質具有大于3000的相對電容率[1]。通常情況下，當你縮小陶瓷電容器的物理尺寸時，電容值的增加就要求在電介質中使用更大量的BaTiO3。撇開高電容率不說，BaTiO3具有另外一個有意思的特性：就是它的高壓電屬性。這使其成為壓電麥克風和吉他拾音器的理想選擇！
壓電效應是施加機械壓力時電壓產生的過程[2]。圖3顯示，一個陶瓷電容器被焊接在PCB上。當向下按壓時（紅色箭頭），PCB變形，使得電介質伸長或被端帽壓縮（藍色箭頭）。當我輕敲PCB時，我在陶瓷電容器上施加了一個機械壓力，導致電介質中的壓電響應，并產生輸出電壓。
圖3：PCB上的機械壓力通過電容器端帽連接至電介質
壓電是安裝在高振動環境中的電子元器件的主要問題。在此類應用中，對于高電容值，低ESR和ESL，以及小外形尺寸的需要有可能使工程師選擇一款高K陶瓷電容器（X7R，Y5V，Z5U等）。此類電容器包含高含量的BaTiO3 [3]。一個常見示例就是放置在ADC基準輸入上的電容器。此電路在沒有劇烈抖動的實驗室環境中運轉良好。一旦被安裝在振動環境中，ADC讀數有可能出現重大誤差。電源設計人員也意識到逆壓電效應，其中電容器上的紋波電壓使其“小聲哼唱”或抖動。
為了實現低噪聲放大器電路，我選擇研究幾款不同的方案來解決這個問題：
1. 軟端接陶瓷電容器：這些電容器是端帽內有柔軟且富有彈性物質來減緩壓力的陶瓷電容器。他們曾被用在汽車應用中，在此類應用中，PCB彎曲會導致電容器故障。
2. 鉭電容器：據報道，鉭電容器未表現出顫噪效應[4]。然而，他們也有某些缺陷。他們會被極化，并且通常比外形尺寸和電容值相似的陶瓷電容器具有更高的ESR和ESL。
3. 薄膜電容器：某些客戶已經表示，在高抖動環境中使用薄膜電容器可以獲得令人滿意的結果。不好的一面是薄膜電容器通常比陶瓷或鉭電容器大，價格也高很多。
這些解決方案是組件級的，其中并不包括對PCB的可能更改，諸如應力消除斷流器。在下一篇博文中，我將在同一電路中測試每一款電容器，并且比較他們對抖動的敏感性。
注:
[1] Kahn, M.，多層陶瓷電容器–材料和制造， http://www.avx.com/docs/techinfo/mlcmat.pdf
[2] 壓電，http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity
[3] Caldwell, J.，深入了解高K MLCC的失真機制，http://www.edn.com/design/analog/4426318/More-about-understanding-the-distortion-mechanism-of-high-K-MLCCs
[4] Cain, J.，多層陶瓷和鉭電容器的比較， http://www.avx.com/docs/techinfo/mlc-tant.pdf
