多层陶瓷电容器 (MLCC) 在现代电子产品中得到广泛应用，因为它们具有高体积效率和低等效串联电阻，而且价格极具吸引力。这些优势使 MLCC 几乎成为各种应用的理想选择，包括电源的输出电容器和集成电路的局部去耦电容器。各种类型的 MLCC 主要通过其温度系数来划分，温度系数是指其电容在指定温度范围内的变化量。I 类类型（指定为 NP0 或 C0G）在其工作温度范围内的变化必须小于 +/–30 ppm，而 II 类类型的变化范围可以从 +/–15%（X7R）到 +22% /–82%（Z5V）[1]。
MLCC 的温度系数直接受构成电容器电介质的陶瓷所用材料的影响。此外，电介质材料还决定了电容器的电气特性。II 类电介质类型 (X7R、Z5U、Z5V) 通常被称为“高 k”陶瓷，因为它们的电介质材料的相对介电常数范围为 3000 (X7R) 至 18000 (Z5U)。I 类 C0G 电容器的相对介电常数往往在 6 至 200 范围内[1]。电介质材料相对介电常数增加的好处是，与 C0G 类型相比，高 k MLCC 具有更大的电容值和更小的封装。
不幸的是，这些优势也伴随着一个缺点：高 K MLCC 表现出相当大的电压系数，这意味着它们的电容会根据施加的电压而变化。在交流应用中，这种现象表现为波形失真，并可能损害整个系统的性能。当印刷电路板 (PCB) 面积和成本成为主要的设计制约因素时，电路板和系统级设计人员可能会倾向于在电路中使用高 K MLCC，因为它们可能会在信号路径中引入严重的失真。
有源滤波器电路、数据转换器的抗混叠滤波器和放大器中的反馈电容器都是使用高 K MLCC 可能导致失真的电路示例。为了说明这种影响，使用 TI 的 FilterPro 软件设计了一个采用 Sallen-Key 拓扑的 1 kHz Butterworth 有源低通滤波器。有源滤波器是一种非常常见的应用，其中电容器的失真会降低整体电路性能。许多设计人员选择低电阻值以减少它们对输出噪声的贡献，这会增加特定转角频率所需的电容器值。由于这一设计决策，高 k MLCC 可能是满足电容、电路板面积和成本要求的电容器。
图 1所示的滤波电路采用了无源元件值，因此可以用不同介电类型和封装尺寸的 MLCC 替换电容器 C 1和 C 2，从而可以直接比较不同电容器类型之间的测量值。本次测试中使用的所有电容器的额定电压均为 50V。
图 1：转折频率为 1 kHz 的 Sallen-Key 低通滤波器
在本例中，我们选择了高性能音频运算放大器 (op amp) OPA1611 作为电路的低噪声和低失真基础。所有电阻均采用 1206 封装的薄膜精密电阻，以尽量减少除电容器引起的失真之外的失真。根据《有源分频器的设计》，某些类型的电阻能够产生与电容器类似的失真[2]。，电路由 +/–18V 电源供电，以防止放大器饱和影响测量。
总谐波失真和噪声 (THD+N) 是一种品质因数，旨在量化由于电路噪声和非线性而添加到信号中的不需要的内容的数量。这个量可以表示为谐波和系统 RMS 噪声电压与基波 RMS 电压之比[3]。谐波或频率为输入信号整数倍的信号源于无源元件和集成电路的非线性行为。电路的总噪声是集成电路固有噪声、电阻器热噪声的结果，或者可以通过外部源耦合到电路中。公式 1显示了 THD+N 的计算，以幅度比表示，其中 V F是基波的 RMS 电压，V N是 RMS 噪声电压，V I是每个谐波的 RMS 电压。
在 20 Hz 至 20 kHz 频率范围内，以 500 kHz 的测量带宽对 1 Vrms 信号在滤波器电路上进行了 THD+N 测量。图 2显示了不同电容器类型相对于 1 Vrms 的电路 THD+N 性能测量值（单位为 dB）。1206 封装中的 C0G 介电类型 MLCC 具有出色的性能：滤波器通带中测得的 THD+N 处于测量系统的本底噪声。0805 封装中的 C0G 电容器也经过了测试，并且提供了完全相同的性能水平，为简单起见，已从图表中删除。由于滤波器的衰减会降低信号幅度与本底噪声之比，因此滤波器转折频率以上的 THD+N 会增加是意料之中的。
通过将电容器改为 1206 封装中的 X7R 类型，可以观察到电路性能立即下降。THD+N 在 20 Hz 时至少增加了 15 dB，并在 400 到 800 Hz 之间的区域达到峰值，此时 THD+ 测量到 35 dB 的增加。改用更小的 0603 封装中的 X7R 电容器会进一步在大部分频谱上将 THD+N 增加 10 dB。由于滤波器中的运算放大器和电阻器在所有测试中均保持不变，因此 THD+N 数值的增加一定是 X7R 电容器在电路的输出信号中产生的额外谐波的结果。
图 2 Sallen-Key 低通滤波器的 THD+N 测量值
图 3显示了使用 0603 和 1206 X7R 电容器时在滤波器输出端采集的 500 Hz 正弦波的频谱。频谱显示大量基波谐波，奇数阶谐波占主导地位。令人惊讶的是，当电路由 0603 X7R 电容器构成时，对于 500 Hz 输入信号，可以观察到 20 kHz 以上的谐波。
图 3在低通滤波器电路输出端采集的 500 Hz 正弦波的频谱
识别失真源
面对追踪高失真源的任务，工程师可能无法立即判断是集成电路还是无源元件出现故障。确定主要失真源的一种方法是测量电路在很宽的信号电平范围内的 THD+N（图 4）。图 1 显示了 Sallen-Key 滤波器的 THD+N，其基频为 500 Hz，信号电平为 1 mVrms 至 10 Vrms。当电路采用 C0G 电容器构建时，THD+N 会随着信号电平的增加而降低，终在 2 Vrms 信号电平时达到测量系统的本底噪声。
图 4：随着信号电平增加（500 Hz 基波），滤波器电路的 THD+N
直线的负斜率表示由运算放大器和电阻引起的电路噪声是 THD+N 计算的主要因素。在这种情况下，由于信号电压与噪声电压的比率得到改善，因此测得的 THD+N 会随着信号电平的增加而降低。相反，无源元件的非线性在较高信号电平下会加剧，并且会导致失真随信号电平增加而呈上升趋势[2]。当将滤波电路中的电容器替换为 X7R 型电容器时，这一点得到了证实。0603 封装中的 X7R 电容器在信号幅度为 20 mVrms 时开始出现失真上升。1206 封装中的 X7R 电容器表现出类似的行为，失真从 40 mVrms 开始呈上升趋势。因此，如果电路随着信号电平的增加而出现失真上升趋势，则无源元件（电阻器或电容器）很可能是电路性能的主要限制因素。
由于无源元件失真会随着信号电平的升高而增大，因此滤波器电路失真在电容器承受施加电压时应该[2]。德州仪器的 SPICE 模拟器 Tina-TI 中的交流传输特性分析可用于绘制电路中元件两端电压与频率的关系。图 5显示了电容器 C 1和 C 2在 20 Hz 至 20 kHz 频率范围内的组合电压，以及 1206 封装中 X7R 电容器的滤波器 THD+N。电容器 C 1和 C 2两端的单个电压使用平方和根法组合，值约为 600 Hz。图 5 说明电容器电压的峰值与失真的点密切相关，并且很好地表明电容器是滤波器输出过度失真的来源。如果两个电容器产生的失真量不相等，则两个测量值之间可能存在一些错位。通过确定每个电容器的信号增益，可以进一步进行分析[2]。
图 5低通滤波器电路的组合电容电压和测量的 THD+N
模拟电路的性能会受到其构造中使用的电容器类型的显著影响。有源滤波器被用来演示这一原理。当电路使用 C0G 电容器构造时，它提供了高水平的性能。然而，一旦电容器被改为 X7R 介电类型的电容器，电路的性能就会大大降低。X7R 电容器将大量谐波引入信号路径，奇次谐波是 THD+N 测量的主要贡献者。具体来说，0603 封装的 X7R 电容器表现出差的性能，而 1206 封装的 X7R 电容器仅提供略微改善的性能。
上述两种技术可以帮助工程师确定电路中的失真源。首先，测量大范围信号电平的 THD+N 是一种有用的方法，可以确定电路的性能是受集成电路限制还是受无源元件的线性限制。无源元件的非线性导致的失真应随着信号电平的增加而呈现上升趋势。其次，TINA-TI 可用于通过将失真频率与这些元件经历施加电压的频率关联起来，来确定哪些无源元件是失真源。尽管在许多应用中，高 k MLCC 的优势对工程师很有用，但不建议在系统信号路径的区域中使用这些电容器，因为电容器两端的显著电压降会导致其产生失真。
