O 'mikrofonowaniu' elementów toru analogowego najczęściej słyszy się od audiofili, którzy dbają o każdy fragment układu czasami aż do przesady. Czy efekt mikrofonowania w przypadku kondensatorów istnieje naprawdę? Jakie są jego fizyczne podstawy? Jak tego uniknąć? Odpowiedzi na te pytania znaleźć można w poniższym tekście autorstwa Johna Caldwella z Texas Instruments.
Autor artykułu odkrył istnienie efektu zupełnie przypadkiem. Pracując w biurze projektowym Texas Instruments nad referencyjnym projektem niskoszumnego wzmacniacza odkrył dziwne zachowanie układu - przesuwanie jego płytki drukowanej po biurku powodowało skoki napięcia wyjściowego. W bardzo naukowym teście stukania palcem w płytkę drukowaną i obserwowania napięcia wyjściowego na oscyloskopie potwierdzone zostało, że istotnie coś się dzieje. Na rysunku 1 zaprezentowano oscylogram powstały podczas opisywanego napięcia.
Rys.1: Napięcie wyjściowe z układu podczas stukania w płytkę drukowaną.
Siedem 'szpilek' napięcia widocznych na powyższym oscylogramie to siedem stuknięć w płytkę drukowaną. Nie tylko stukanie, ale wiele rozmaitych interakcji PCB z otoczeniem generować może podobne efekty. Przykładem tego niech będzie chociażby fakt, że naprężanie obudowy wzmacniacza operacyjnego powoduje m.in. zwiększanie się napięcia offsetu układu. Jednakże sam op-amp nie jest aż tak czuły na wibracje, aby powodować efekty takie jak pokazano na rysunku 1, więc jeszcze jakiś efekt musi być odpowiedzialny za zaprezentowane zjawisko.
Oprócz wzmacniacza na płytce znajdowały się jeszcze kondensatory ceramiczne będące elementem toru sygnałowego. Po wyeliminowaniu wzmacniacza one były kolejnym kandydatem do roli elementu powodującego powstawanie tak dużych zakłóceń. W układzie wykorzystano wielowarstwowe kondensatory ceramiczne. Elementy tego typu posiadają bardzo wiele zastosowań i sprawdzają się w różnych aplikacjach. Tak szerokie zastosowanie zawdzięczają połączeniu niskiej rezystancji zastępczej (ESR) i szeregowej induktancji (ESL) z bardzo dobrym stosunkiem pojemności do objętości. Elementy te składają się wielu warstw metalizacji (elektrod) na ceramicznym dielektryku. Strukturę takiego elementu zaprezentowano na rysunku 2.
Rys.2: Struktura wewnętrzna typowego wielowarstwowego kondensatora ceramicznego.
Do wytwarzania kondensatorów ceramicznych często wykorzystywany jako dielektryk jest tytanian baru (BaTiO3). Materiał ten charakteryzuje się bardzo wysoką stałą dielektryczną, (od 1200 do 10 tysięcy, zależnie od temperatury). Zazwyczaj zmniejszanie wymiaru kondensatora przy zachowaniu tej samej pojemności, wymaga wykorzystania coraz większej ilości BaTiO3 w dielektryku układu.
Oprócz wysokiej stałej dielektrycznej tytanian baru charakteryzuje się jeszcze jedną interesującą cechą - jest piezoelektrykiem. Dzięki temu konstruuje się z niego elementy, takie jak przetworniki do gitar akustycznych czy też mikrofony.
Zjawisko piezoelektryczne polega na generacji napięcia - różnicy potencjałów - pod wpływem przyłożonej siły, generującej naprężenie w materiale. Na rysunku 3 zaprezentowano schematycznie, co dzieje się z kondensatorem ceramicznym, przylutowanym do PCB, podczas gdy płytka drukowana poddawana jest naprężeniu. Naprężenie PCB przekłada się na naprężenie dielektryka w kondensatorze, który generuje pewien potencjał na skutek efektu piezoelektrycznego.
Rys.3: Schemat obrazujący jak mechaniczne naprężenie płytki drukowanej przekłada się na naprężenie w kondensatorze do niej przylutowanym.
Efekt piezoelektryczny może być istotnym problemem dla układów elektronicznych działających w środowisku o dużej wibracji. W systemach takich, konieczność znalezienia elementów o niskim ESR i ESL, a także małym wymiarze, składania projektantów do sięgania po kondensatory o dielektryku zawierającym BaTiO3 (takie jak X7R, Y5V, Z5U i inne), szczególnie do filtrowania napięcia zasilającego np. przetworników ADC. Układ taki może funkcjonować bezproblemowo na stanowisku laboratoryjnym, gdzie w zasadzie nikt go nawet nie dotyka podczas charakteryzacji. Natomiast, gdy już zostanie zamontowany w swoim 'środowisku naturalnym', to wibracje urządzenia mogą powodować pewne problemy z działaniem układu ADC. Niektórzy projektanci przetwornic impulsowych zaznajomieni są też z drugą stroną efektu piezoelektrycznego - to elementy zaczynają wibrować na skutek przykładania zmiennego potencjału. Jeśli częstotliwość przełączania kluczy w przetwornicy leży w zakresie pasma akustycznego, to wibracje te mogą być nawet słyszalne.
W omawianym na początku układzie niskoszumnego wzmacniacza konieczne jest rozwiązanie tego problemu. Autor artykułu proponuje i testuje szereg z nich:
Kondensatory z elastycznymi wyprowadzeniami to elementy dyskretne, w których zakończenia wykonane są z elastycznego materiału. Elementy te opracowano z myślą głównie o przemyśle motoryzacyjnym, w którym wibracje pojazdu w istotny sposób zwiększają awaryjność kondensatorów.
Kondensatory tantalowe nie powodują efektu mikrofonowania, z uwagi na stosowany dielektryk, ale ich stosowanie pociąga za sobą inne problemy. Elementy te charakteryzują się wyższym ESR i ESL niż porównywalne (co do wielkości i pojemności) kondensatory ceramiczne.
Kondensatory foliowe stosowane są czasami w warunkach o wysokich wibracjach - z powodzeniem - ale są one droższe i większe niż typowe kondensatory ceramiczne.
Opisane rozwiązania dotyczą tylko doboru elementów dyskretnych; poza nimi ochronę przed wibracjami realizować można na szereg innych sposobów, na przykład projektując na płytce drukowanej wycięcia mające minimalizować naprężenia PCB podczas jej pracy w systemie.
Autor zdecydował się przetestować powyższe rozwiązania, porównując wyniki zmiany elementu z zachowaniem kondensatora ceramicznego. Wszystkie z przedstawionych testów zrealizowano dla kondensatora do montażu powierzchniowego o pojemności 2,2 µF.
Aby możliwe było porównanie różnych rodzajów elementów w układzie, konieczne było opracowanie lepszego testu niż stukanie w płytkę drukowaną. Z pierwszych testów (rysunek 1) wiadomo było, że stukanie w PCB powoduje powstanie opisywanego efektu, dlatego też autor zdecydował się uderzać lekko w płytkę drukowaną w kontrolowany sposób. Aby tego dokonać, zrzucał on element o znanej, stałej masie (w tej roli bateria AA) ze stałej wysokości w to samo miejsce na płytce drukowanej. Pozwoliło to na zapewnienie dostatecznej powtarzalności eksperymentu. Podczas eksperymentu mierzone było napięcie wyjściowe z układu - jego zmiana jest wprost proporcjonalna do czułości danego elementu na wibracje płytki drukowanej.
Do płytki drukowanej przytknięto linijkę, służącą do pomiaru stałej odległości od PCB (około 5,5 cm), z której zrzucano baterię. Linijka służyła także jako szyna prowadząca baterię, co umożliwiło uderzanie nią zawsze w to samo miejsce obwodu. Na rysunku 4 zaprezentowano układ eksperymentalny.
Rys.4: Układ eksperymentalny do badania czułości na wibracje poszczególnych rodzajów kondensatorów.
Płytka drukowana z wzmacniaczem umocowana została w imadle, a wejście podłączone zostało do masy. Dzięki temu wiadomo było, że jakiekolwiek napięcie zaobserwowane na wyjściu wzmacniacza pochodzić będzie z kondensatora i wygenerowane zostanie na skutek efektu piezoelektrycznego w kondensatorach. Wyjście z wzmacniacza podłączone zostało do oscyloskopu, synchronizowanego poziomem napięcia, przekraczającym pewien założony poziom, powyżej poziomu szumu. rysunek 5 pokazuje przykładowy pomiar dla kondensatora z dielektrykiem X7R. Jak łatwo dostrzec - napięcie międzyszczytowe dla tego przebiegu jest bardzo duże - przekracza 170 mV.
Rys.5: Przykładowy pomiar w opisywanym eksperymencie (uderzenie następuje dla chwili t = 0s).
Dla ilościowej oceny poziomu odporności kondensatora na wibracje wybrano napięcie międzyszczytowe zebranego przebiegu. Dla każdego kondensatora przeprowadzono pięć pomiarów i uśredniono. Rezultaty pomiarów dla wszystkich elementów zaprezentowano na rysunku 6.
Rys.6: Uśrednione napięcie międzyszczytowe na wyjściu wzmacniacza dla różnych, badanych kondensatorów.
Rezultaty są bardzo interesujące i to z dwóch powodów:
1. Jakkolwiek kondensatory z elastycznymi zakończeniami (ceramiczny kondensator X7R) redukuje poziom napięcia wygenerowany z wibracji, to nie jest to wystarczająca redukcja, aby układ mógł pracować w projektowanym układzie wzmacniacza niskoszumnego, jednakże we wzmacniaczach o mniejszym wzmocnieniu lub z wyższym dopuszczalnym poziomem szumu, może pracować poprawnie.
2. Kondensatory foliowe i tantalowe są w ogóle nieczułe na wibracje. To jest najważniejsza informacja, jaką można wynieść z powyższego eksperymentu. Jeśli chcemy, aby nasz układ poprawnie pracował w środowisku, gdzie występują wibracje, to wykorzystać powinniśmy kondensatory tantalowe lub foliowe.
Oczywiście, każde rozwiązanie ma swoje wady, także kondensatory opisanych typów nie są idealnymi zamiennikami elementów ceramicznych. Kondensatory foliowe są istotnie droższe niż ceramiczne i zajmują zdecydowanie więcej miejsca niż kondensatory ceramiczne czy tantalowe. Te ostatnie są spolaryzowane, więc nie nadają się do każdej aplikacji w układzie. Dodatkowo, kondensatory tantalowe charakteryzują się ESR i ESL wyższym niż typowe kondensatory ceramiczne. Z tym ostatnim problemem poradzić sobie można umieszczając równolegle z kondensatorem tantalowym ceramiczny kondensator z dielektrykiem C0G, który nie wykazuje zjawiska piezoelektrycznego.
Dobranie odpowiedniego rodzaju kondensatora do naszej aplikacji nie jest trywialne; zależy to od wymagań elektrycznych, dopuszczalnej wielkości i ceny elementu. Zaprezentowany artykuł, mam nadzieję, pomoże dobierać ten element lepiej, do danego zastosowania i pozwoli uniknąć problemów z uruchamianiem układów narażonych na wibracje.
Źródła:
https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/12/19/stress-induced-outbursts-microphonics-in-ceramic-capacitors-part-1
https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/12/23/stress-induced-outbursts-microphonics-in-ceramic-capacitors-part-2[/u]
Fajne!
