电容相关知识总结

电容相关知识总结

本文从电容的真实模型入手，首先分析电容的几个寄生参数对电路性能的影响，接下来介绍电容的频率特性以及电容的典型应用，然后指出选择电容时参照的参数，最后介绍常用的几种电容及其性能特点。

1.电容真实模型

图1

电容真实模型如图1-a所示，Rs为电容的等效串联电阻ESR(Equivalent series resistance)，Ls为等效串联电感ESL(Equivalent series inductance)，Rp为并联电阻，即绝缘电阻，决定电容的漏电流这个参数，其值越大，漏电流越小，Rda、Cda 分别为电容的介质吸收电阻和介质吸收电容，决定电容的介质吸收性能。

2.电容的寄生参数对电路性能的影响

①ESR：当有较大的纹波电流通过电容时，如果ESR较大，会在电容上产生压降，进而产生损耗，所以ESR较大的电容不适用于射频以及大纹波电流的电源去藕。另外一些电源反馈控制回路中如果使用ESR较大的电容，容易引起振荡，所以也不宜使用。ESR也是一把双刃剑，特别是多个数字芯片的去藕应用中，ESR太小的话，电源线的寄生电感有可能与电容形成振荡，从而引起电源的振荡，解决方法就是多个芯片各自去藕的情况下，再共用一个ESR较大(1Ω)的钽电解,起到衰减振荡的作用。

②ESL：由于现在工艺的进步，ESL可以做得很小了，所以单纯的ESL的影响很小了，一般都是由于ESL影响到ESR进而影响电容性能，与ESR类似，ESL 较大的话不能用于射频以及高纹波去藕。

③Rp：Rp较小，漏电流较大的电容不能用于交流耦合以及采样积分电路

④介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷，见图-2。因为恢复电荷的数量是原来电荷的函数，实际上这是一种电荷记忆效应。所以介质吸收严重的不能用于采样积分的电路中。

图-2 介质吸收

3.电容的频率特性

由图1-b电容的简化模型可得出电容的谐振频率和阻抗：

电容的频域阻抗如图-3所示：

图-3

由图可知，当电容工作在谐振频率以下时，表现为容性，当超过其谐振频率，就表现为感性了，此时就不是一个电容而是一个电感了。所以一定要避免电容工作于谐振频率以上。

ESL和容值对ESR的影响：由下图可知ESL不变的情况下，电容越大，ESR 越小，同样，电容不变，ESL越小，ESR就越小。所以电解电容容值越大、耐压越高、封装越大，ESR越小。

图-4

4.电容的几种典型应用

图-5

①交流耦合，包括旁路(通过交流信号，同时隔直流信号)

②去耦(滤掉交流信号或滤掉叠加在直流信号上的高频信号或滤掉电源、基准电源和信号电路中的低频成分)

③有源或无源RC滤波或选频网络

④模拟积分器和采样保持电路(捕获和储存电荷)

5.电容选择常用的几个参数：

①温度系数，也就是容值随温度变化的范围

②损耗因数，因为电容器的泄漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感，这三项指标几乎总是很难分开，所以许多电容器制造厂家将它们合并成一项指标，称作损耗因数(D F-d i s s i p a t i o n f a c t o r)，主要用来描述电容器的无效程度。损耗因数定义为电容器每周期损耗能量与储存能量之比。又称为损耗角正切。

③Q值，又称为品质因数，是损耗因数的倒数。一般电容的手册中会标注Q或损耗因数。

④介电常数K，电容的不同主要是填充介质的不同，介电常数的大小关系电容的体积和介质吸收不同，介电常数大在较小的体积上就可以集成很大的容量，但介质吸收就很严重，比如说Z5U陶瓷电容。

6.常用电容分类：

电容的分类很多书上介绍了很多方法，其实做容易理解的应该是按填充介质分类，分为三类：有机介质、无机介质、电解质电容。

1)有机介质电容主要有几种：纸介电容、聚酯(涤纶)电容、聚苯乙烯电容、聚丙烯电容、聚四氟乙烯电容。

纸介电容现在不再常用，聚酯薄膜电容，容体比较小，串联电阻小，感抗值较大。正温度系数(温度上升，容量变大)，适用于电容量不大、工作频率不高（如1M H z以下）的场合，可用于低频滤波和旁路。

聚苯乙烯电容、聚丙烯电容、聚四氟乙烯电容都是低损耗、低介质吸收的电容，负温度系数(温度上升，容量变小)，适用于稳定性和损耗要求较高的电路中如采样保持电路，但是体积较大，且温度范围不同，聚苯乙烯电容只能用于85℃以下，聚丙烯电容只能用于105℃以下，聚四氟乙烯电容可以用在125℃以下。

2)无机介质电容常用的主要有陶瓷(独石)电容、云母电容。

陶瓷电容按温度系数基本可以分为两类，C l a s s1和C l a s s2两类。C l a s s1

是温度补偿型，C l a s s2是温度稳定型和普通应用的。

最常用的C l a s s1陶瓷电容是C O G(N P O)温度补偿型电容(±0p p m/℃)。即容值基本不随温度变化，由于介电常数较高，所以体积较大，网上找到的A V X-N P O 电容容量范围为0.1u F，标称值为E-12，常用于对温度系数和E S R要求较高的电路中，如高频的去藕、耦合、旁路等。

最普通最常用的C l a s s2电容是X7R和Y5V。 在温度范围 -55°C到 125°C之间，X7R能提供仅有±15%变化的的中等容量的电容容量。它最适合应用在温度范围宽，电容量要求稳定的场合。 X7R电容称为温度稳定型，A V X-X7R电容范围到100u F，标称值为E-6系列。

Y5V能提供最大的电容容量，常用在环境温度变化不大的地方。在温度范围-30°C t o85°C之间，Y5V电容值的变化是22%t o-82%。Y5V电容随温度变化太多了，最多能达到80%，一般用在使用环境温度变化不大的地方。

值得注意的是，陶瓷电容不管是c l a s s1或2所不同的就是容值随温度变化的大小，共同点是都具有E S R很小的性质，所以在一些低E S R应用中，即使没有相应容值的N P O，也可以用X7R电容或Y5V电容(温度变化不大)。

图-6陶瓷电容的温度系数曲线

云母电容，说实话我都没见过是什么样的，但是这是一种性能很高的电容，所以也不能不介绍，云母电容稳定性高，温度系数小，常用于振荡、调谐的电路中，好像比较贵，一般用于军工或航天中。

3)电解电容：一般就是两种，铝电解和钽电解

铝电解电容的容体比较大，串联电阻较大，感抗较大，对温度敏感。它适用于温度变化不大、工作频率不高（不高于25k H z）的场合，可用于低频的电源主滤波。

与铝电解电容相比，钽电解电容在串联电阻、感抗、对温度的稳定性等方面都有明显的优势。但是，它的工作电压较低。主要用于对E S R要求较高的高频率波。