Инженер двигает плату по столу, и на выходе малошумящего усилителя появляется всплеск напряжения. Не помеха от источника питания, не наводка от соседней цепи. Виновник сидит прямо в обвязке, на видном месте, размером с половину рисового зерна. Это керамический конденсатор типа X7R или Y5V, и он только что отыграл роль микрофона. Такая ситуация выглядит абсурдно ровно до того момента, пока не разбираешься в физике процесса. А физика там интересная.
Почему титанат бария делает конденсатор пьезоэлектрическим
Всё начинается с выбора диэлектрика. Чтобы получить высокую ёмкость в маленьком корпусе, производители многослойных керамических конденсаторов MLCC используют сегнетоэлектрическую керамику на основе титаната бария BaTiO3. Это вещество обладает относительной диэлектрической проницаемостью порядка 3000 и выше, что позволяет упаковать несколько микрофарад в корпус 0805 или даже 0402. Именно такие диэлектрики лежат в основе конденсаторов класса II, к которым относится X7R и X5R, и класса III, куда попадает Y5V.
Обратная сторона этого свойства раскрывается сразу, как только задумываешься о кристаллической структуре BaTiO3. Ниже точки Кюри, которая для титаната бария составляет около 120 градусов Цельсия, кристалл переходит из кубической в тетрагональную решётку. Ионы бария и титана смещаются относительно ионов кислорода, и в элементарной ячейке возникает постоянный электрический диполь. Такая структура называется сегнетоэлектрической, и она же является пьезоэлектрической: механическое давление на кристалл смещает ионы, изменяет величину диполя и порождает разность потенциалов. Работает и обратное: приложенное электрическое поле деформирует кристаллическую решётку механически.
Конденсаторы класса I, прежде всего C0G и NP0, изготовлены на основе параэлектрической керамики, в которой подобной спонтанной поляризации нет. Их пьезоэлектрический эффект пренебрежимо мал. Именно поэтому опытный разработчик аналоговой схемотехники никогда не поставит X7R в сигнальную цепь там, где это физически возможно заменить на C0G.
Два механизма вибрации и почему один из них нелинеен
Когда на MLCC подаётся переменное напряжение, конденсатор начинает деформироваться сразу по двум механизмам, и они ведут себя по-разному.
Первый механизм, прямая пьезоэлектрическая деформация, линеен. Если напряжение на конденсаторе меняется с частотой f, механическая деформация тоже происходит с частотой f. Амплитуда деформации пропорциональна амплитуде электрического поля. Здесь нелинейности нет.
Второй механизм называется электрострикция. В отличие от пьезоэффекта, электрострикция присуща абсолютно всем диэлектрикам, но в сегнетоэлектриках она выражена особенно сильно. Деформация при электрострикции пропорциональна не первой, а второй степени приложённого поля. Это ключевое отличие: если поле меняется с частотой f, деформация от электрострикции происходит с частотой 2f. Возникает вторая гармоника.
Когда на MLCC одновременно присутствуют постоянное смещение и переменный сигнал, оба механизма работают вместе. При нулевом постоянном смещении нелинейная составляющая исчезает и вибрация чисто линейна. Как только появляется постоянное напряжение на обкладках, картина меняется: деформация содержит вторую гармонику входного сигнала. В точных АЦП, в прецизионных источниках опорного напряжения, в малошумящих усилителях это становится реальной проблемой, которая деградирует динамический диапазон схемы.
Вибрация конденсатора передаётся на плату через паяные контакты. Плата, в свою очередь, работает как мембрана, резонирующая в зависимости от своей механической конструкции. Этот акустический феномен получил название "поющих конденсаторов", и услышать его можно совершенно буквально: если через MLCC проходит переменный ток частотой в несколько килогерц, плата начинает издавать тонкий высокочастотный зуд.
Как вибрация платы порождает нелинейные искажения в схеме
Обратный процесс, когда внешняя вибрация воздействует на конденсатор, и есть микрофонный эффект в узком смысле слова. Механическое давление на диэлектрик BaTiO3 смещает ионные подрешётки, изменяет поляризацию и порождает паразитное напряжение на обкладках конденсатора. Это напряжение попадает в схему как нежелательный сигнал.
Насколько это серьёзно, зависит от позиции компонента в схеме. В цепях питания, где присутствуют шумы в сотни милливольт, микровольтовые помехи от микрофонного эффекта просто теряются. Другое дело, если MLCC стоит в цепи обратной связи операционного усилителя с коэффициентом усиления 1000, или на входе АЦП с разрядностью 24 бита, или в опорной цепи прецизионного компаратора. Там паразитный сигнал в единицы микровольт уже заметен и искажает результат.
Звуковое давление уровня 100 дБ соответствует примерно 2 паскалям. При ударе по плате давление на конденсатор может достигать нескольких мегапаскалей. Разница в миллион раз. Именно поэтому промышленная аппаратура, установленная рядом с вибрирующим оборудованием, ведёт себя совершенно иначе, чем в лабораторных условиях.
Чем Y5V хуже X7R и почему класс диэлектрика решает всё
Среди массовых типов MLCC степень выраженности пьезоэлектрического эффекта сильно различается в зависимости от класса диэлектрика. Чтобы понять разницу, достаточно посмотреть на диэлектрическую проницаемость.
У C0G она составляет около 30-50 единиц. У X7R примерно 2000-3000. У Y5V достигает 10000-20000 и выше. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем сильнее выражены сегнетоэлектрические свойства, тем больше пьезоэлектрический коэффициент и тем сильнее конденсатор реагирует на механические воздействия.
Y5V при комнатной температуре даёт огромную ёмкость в маленьком корпусе, но расплачивается за это целым букетом нежелательных свойств. Ёмкость падает на 82% к краям рабочего диапазона температур и на 30-60% при приложении номинального постоянного напряжения. Пьезоэлектрический эффект у Y5V выражен настолько сильно, что в аудиоцепях и прецизионных аналоговых схемах его применение попросту исключается. X7R демонстрирует куда более предсказуемое поведение: изменение ёмкости не более плюс-минус 15% в диапазоне от минус 55 до плюс 125 градусов, умеренный пьезоэффект. Для шин питания цифровых схем этого достаточно. Для сигнальных цепей уже нет.
Принципиальный момент: количество внутренних слоёв напрямую влияет на амплитуду вибрации. Конденсатор большой ёмкости в маленьком корпусе содержит сотни тонких слоёв. Каждый слой вносит свою лепту в суммарную деформацию. Чем больше слоёв и чем они тоньше, тем сильнее акустический и микрофонный эффект при одинаковом диэлектрике.
Методы борьбы с микрофонным эффектом на уровне выбора компонентов и топологии
Разработчики, столкнувшиеся с микрофонным эффектом в реальных схемах, выработали несколько практических подходов, и каждый из них работает на своём уровне.
На уровне выбора компонента первый шаг очевиден: для аналоговых сигнальных цепей и прецизионных узлов использовать C0G. Там, где ёмкость не превышает нескольких наноФарад, это не требует компромиссов. Проблема возникает, когда нужна ёмкость в единицы или десятки микрофарад: конденсаторов C0G такого номинала почти нет или они неоправданно дороги. Выходом служат специализированные MLCC с мягкими выводами, так называемые soft-termination. В них между керамическим телом конденсатора и медными торцевыми контактами введён слой эластичного материала, механически изолирующий вибрации от пайки и от платы. По измерениям, такая конструкция снижает уровень акустического шума на 17-20 дБ в диапазоне от 100 Гц до 1 кГц.
Ещё один инструментальный подход: размещение двух идентичных MLCC последовательно с противоположной ориентацией слоёв относительно платы. Пьезоэлектрические деформации в них происходят в противофазе и частично компенсируют друг друга. Схема элегантная, хотя и удваивает занимаемую площадь.
На уровне топологии платы важна позиция конденсатора относительно узловых точек изгиба. Края платы изгибаются значительно меньше центра. Прецизионные компоненты, чувствительные к механическим воздействиям, стоит размещать у края, по возможности подальше от точек крепления платы к корпусу. В некоторых промышленных разработках применяют прорези в плате вокруг критических цепей: они разрывают механическую связь между областью с чувствительной аналоговой схемотехникой и остальной частью конструкции.
Ориентация конденсатора при пайке тоже имеет значение. Лазерная доплеровская виброметрия показала, что максимальная амплитуда колебаний сосредоточена в средней плоскости MLCC, перпендикулярной слоям диэлектрика. Если слои расположены параллельно плоскости платы, горизонтальная ориентация, передача вибрации через паяные мениски минимальна. Вертикальная ориентация при прочих равных даёт более высокий уровень механической передачи. Ряд производителей предлагает специально отсортированные партии MLCC с гарантированной горизонтальной ориентацией слоёв в ленте.
Когда проблема выходит за пределы аудио и затрагивает промышленную точность
Заблуждение считать микрофонный эффект исключительно проблемой аудиотехники. Промышленная и измерительная аппаратура страдает от него ничуть не меньше. Прецизионные весы, медицинские приборы, геофизическое оборудование, авиационная электроника, всюду, где схема работает в условиях механических воздействий и при этом обрабатывает слабые аналоговые сигналы, пьезоэлектрические свойства MLCC превращаются из абстракции в конкретный источник погрешности.
Показательна ситуация с аналого-цифровыми преобразователями высокой разрядности. Конденсатор на входе опорного напряжения АЦП с разрядностью 24 бита работает с сигналами в единицы микровольт. Если плата находится в вибрирующей промышленной установке, а на опорном входе стоит X7R большой ёмкости, паразитный пьезоэлектрический сигнал вполне способен замаскировать полезные младшие разряды. Схема работает в лаборатории и отказывает в поле. Такой сценарий хорошо знаком инженерам, занимавшимся отладкой встроенного измерительного оборудования.
Переключающие источники питания добавляют к картине ещё один слой. Конденсатор фильтра на выходе импульсного преобразователя испытывает пульсации напряжения с частотой переключения. Если эта частота попадает в диапазон 20 Гц -- 20 кГц, конденсатор начинает звенеть слышимым образом. Именно поэтому частоту преобразования сознательно поднимают выше 20 кГц, выводя акустические помехи за пределы слышимого диапазона. Но и в этом случае механическая вибрация никуда не исчезает, просто становится неслышимой для человека.
Понимание пьезоэлектрической природы MLCC меняет взгляд на процесс проектирования. Конденсатор перестаёт быть пассивным, нейтральным элементом и превращается в компонент с механо-электрическими свойствами, которые нужно учитывать не хуже, чем его ёмкость или ESR. Выбор диэлектрика, корпуса, позиции на плате и способа пайки складывается в единую стратегию управления паразитными эффектами. Это и есть разница между схемой, которая работает на стенде, и схемой, которая работает везде.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube