电容器相关知识要点

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1、1. 滤波电容，去耦电容，旁路电容2. 电容特性3. 电容滤波电路关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用（转）2007-07-28 11:10滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。1 .关于去耦电容蓄能作用的理解1）去耦电容主要是去除高频如 RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上，芯 片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。你可以把总电源看作密云水库，我们大楼内的家 家户户都需要供水，这时候，水不是直接来自于水库，那样距离

2、太远了，等水过来，我们已经渴 的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔，水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看，高 频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，而器件VCCa总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，阻抗 Z= i*wL+R,线路的电感影响也会非常大，会导致器件 在需要电流的时候，不能被及时供给。而 去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多电路板在 高频器件VCCT脚处放置小电容的原因之一 （在vcc引脚上通常并联一个去藕电容，这样交流分 量就从这个电容接地。）。2）有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的

3、直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。2 .旁路电容和去耦电容的区别去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。旁路：从组件或电缆中转移出不想要的共模 RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无 意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为 本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路； 三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。在电子电路中，去耦电

4、容和旁路电容都是起到 抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称 呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除 对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling ）电容也称退耦电容，是把 输出信号的 干扰作为滤除对象。信号输出信号输入至路电容工耦电容C去耦电容0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u,10u或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。数字电路中典型的去耦电容值是 0.1 nF。这个电容的分布电感的典型值是 5 pH。0.1 pF的去耦电容有5仙H的分布电感，它的

5、并行共振频率大约在 7MH加右，也就是说，对于10MHzW下的噪 声有较好的去耦效果，对40MHzW上的噪声几乎不起作用。1pF、10 pF的电容，并行共振频率 在20MH上，去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或 1 个蓄能电容，可选10仙F左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来 的结构在高频时表现为电感。要使用锂电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F ,即 10MH派 0.1 nF, 100MH派 0.01 pF。电容器选用及使用注意事项：1, 一般在低频耦合或旁路，电气特性要求较低时，可选用纸介、涤纶电容器；在高

6、频高压电路中， 应选用云母电容器或瓷介电容器；在电源滤波和退耦电路中，可选用电解电容器。2,在振荡电路、延时电路、音调电路中，电容器容量应尽可能与计算值一致。在各种滤波及网（选 频网络），电容器容量要求精确；在退耦电路、低频耦合电路中，对同两级精度的要求不太严格。3,电容器额定电压应高于实际工作电压， 并要有足够的余地，一般选用耐压值为实际工作电压两 倍以上的电容器。4,优先选用绝缘电阻高，损耗小的电容器，还要注意使用环境。BACK电容特性:在消费类电子产品系统中，体积越来越小，器件摆放越来越密，模拟、数字部分已很难通过布局有效分开，系统设计工程师往往在电源网络中使用很多电容，衰减高频数字噪声

7、，期望能净化”电源，减少对模拟电路的干扰。在电压调整器中,在输入、输出端通常都各有一只电容，跨接在输入、输出管脚和地（GND）之间。输入电容的主要作用是滤除交流噪声，抑制输入端的电压变化。而输出电容的作用，除了构成反馈环路的一部分之外（增加一个额外的零点,当然不可避免的也要带来一个极点，提高环路的相位裕量），还可以抑制由于负载电流或者输入电压瞬变引起的输出电压变化。从某种角度来说，滤除交流噪声与抑制电压突变在本质上是一回事，那就是去除交流信号。电容的特性 不同介质种类的电容，其自身特性相差甚远。在描述电容的特性之前，我们需要了解以下几个参数: 电阻一符号R,是指通过导体的直流电压与电流之比，单

8、位为欧姆。电抗一符号X,是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗（Xl）和容抗（Xc）,单位为欧姆。阻抗一符号Z,是一个复合参数，实部为电阻，虚部为电抗，单位为欧姆，所以阻抗也可以表示为：Z = R + jX。电导一符号G,是指通过导体的直流电流与电压之比，电阻的倒数，单位为西门子。电纳一符号B,是导纳的虚数部分，包括容纳（Bc）和感纳（Bl）,单位为西门子。导纳一符号Y,是阻抗Z的倒数，也是一个复合参数，实部为电导，虚部为电纳，单位为西门子，也可以表示为：Y = G+ jB导纳Y通常表示的是器件并联的情况，而阻抗 Z表示的则是器件串联的情况，见图1。其中,z = r+jx = yIr

9、2+x2Y = G + jBXl=2 叽2tz/CDF =- = tan S = c tan 0 = 0R _ G _ G一 一 Bl 纥W=2兀 f电容：Z=R+jX=R+1/jwc=R+1/j2 兀 fc=R-j1/2 兀 fc电感：Z=R+jX=R+jwL=R+j2 兀 fL图1:阻抗与导纳的表示方法所以对于串联的器件组合，如果90C,则说明器件两端有感性，越接近 90 C,感性越强，当 e=90C时，为纯感性器件。同样0 C2 , R1R2时，极点可以表达成下式,Pl =27r(R0+R)CP2 =_2H(R08)+R2C2以上面50V/10uF电解电容，和16V/1uF陶瓷电容的数据

10、作为依据，对上述器件进行如下赋值，ESR取f=100kHz的值。R0 = 1 Q, C1 = 8.21uF , C2 = 0.997uF , R1 = 774m Q , R2 = 190m Q ,图 3 网络的频率特性如图4 所示，从上图看出， 在紧接着第一个极点 P1之后，出现了第一个零点 Z1,它是由R1、C1形成的，如果没有电容 02, AC 曲线将保持水平，不再有衰减。正是由于02的存在，使得增益在通过第二个极点P2之后继续衰减，直至第二个零点Z2。因此要使两只电容并联的增益衰减更多，可以将 Z2外移，也就是使电容 02以及R2远小于01、R1。这是假定电容 0、ESR在所有频率下都是

11、定彳1的条件下，用 MATH0AD计算出的理想曲线。实际上，根据上表中的数据告诉我们，0、ESR会随着频率而变化，而且在高频时会出现ESL,考虑到这些因素，得到的曲线如图5所示。图6是使用网络分析仪(Agilent 4395A)得到的实际频响曲线。窗 p;nlriIEq图5：两只电容并联的幅度 相位频率特性13UU13卜 requen /(700kHz，由于ESL的作用，增益上翘。当满足条件 R1X C1=R2XC2时，根据上式系统可以简化成一个极点，一个零点。现实中满足这种条件的有两种情况，两只电容C1、C2完全相同，意味着类型、容值、 ESR和频率特性等一样。图7:网络分析测到的频率特性容

12、值与ESR成反比，对于同一类型的电容,实际上也基本满足这个规律。此时其零、极点变为零点-Ze =(/?/Pe R/R2)+C1/C2) s (Re+ 0) Ce s实际上此时可以等效成1个电容，它的容值为两个电容的并联Ce = C1/C2 , ESR为两个ESR并联Re = R1/R2 。三只电容并联的情况如图8所示，传输函数可以表示成INDROOUTxyslOuFC2 1.0uF图8:三只电容并联的交流等效电路。(1 A (1 则十一,R2 +一(I sj C2 s)A3 +招)从上式不难看出，系统包括三个极点，三个零点。假定上述器件给出值如下，R0 = 1 、C1 = 10uF、C2 =

13、1uF、C3=0.1uF、R1 = 2 、R2 = 100mQ、R3=50的 ,网络的频率特性如图 9,衰减是第一个极点P1开始，到最后一个零点 Z3结束。P1是由C1、R0+R1引起的，Z3是由C3、R3引起的。同样类似的情况，当满足 R1XC1 = R2XC2 = R3XC3时，仍可以等效成一只电容，其容值为三个电容的并联Ce = C1/C2/C3ESR为三个电阻并联 Re = R1/R2/R3 。对于线性电压调整器，用户只关心输出端的交流噪声。这个噪声只有两个来源，一个是来自输入端，一个则是来自调整器本身。幸运白是，来自 BCD新一代线性电压调整器能够很好地解决这两个问题。芯片本身出色的

14、PSRR性能，可以很好的抑制来自输入端的交流噪声，尤其是在低频部分；而自身的输出噪声很低，几乎可以忽略。 比如AP2121 , PSRR为70dB ,从DC可以持续到1kHz、10Hz 100kHz 之间的噪声电压只有 30uVrms 。因此在使用 AP2121时，根本不 需要再额外使用多个电容并联，尤其是大的电解电容，就可以得到干净的电压源。本文结论为了实现更好的噪声衰减，当使用多只电容并联时，应选择ESR与C各不相同的电容，这样可以使衰减曲线从第一个极点开始，一直到最后一个零点结束，容值最大的那只电容决定了衰减的起始频率，容值最小的那只电容决定了衰减的终止频率，并且务必减小引线长度，防止出

15、现ESL。当使用AP2121高PSRR、低噪声线性电压调整器时，只需要使用一颗片式陶瓷电容，推荐值 1uF。ESR值就是等效串联电阻阻值。ESL值等效串联电感值。这两个值是描述电容的两重要参数-阻抗、感抗。也是形成容抗的基础。ESR值越低越好，电容又不是电阻，干吗要阻抗（不想要但一定会存在）。作者：王玉系统工程师BCD半导体制造有限公司BACK电容滤波电路2007年10月11日 星期四17:02滤波电路整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大， 在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。一般直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示：脉动系数

16、（S）=愉出电压的基波最大值输出电压的干均值GS0712例如，全波整流输出电压 uL可用付氏级数展开为：（24 入 44 小八，、飞.15.35tt）GS0713其中基波最大值为 0.6U2,直流分量（平均值）为 0.9 U2,故脉动系数S=0.67 。同理可求得半波整流输出电压的脉动系数为 S=1.57,可见其脉动系数是比较大的。一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01,故整流输出的电压必须采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中 的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。这一措施就是滤波。最基本的滤波组件是电感、电容。其滤波原理是：

17、利用这些电抗组件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来 的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的，体现出滤波作用。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波的主要形式有电容滤波，电感滤波和复式滤波（包括倒L型LC滤波，兀型LC滤波和兀型RC滤波等）。有源滤波的主要形式是有源RC滤波。电容滤波半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下半波整流阳者宅源电毫圉 ztm。半波整流电容滤波电路出+卜 味 .一潴波波彩t ”聿装整流电容派波电路工作时的电

18、混及电压波形电容C并联于负载 RL的两端，uL=uCo在没有并入电容 C之前，整流二极管在 u2的正半周导通，负半周截 止，输出电压uL的波形如图中红线所示。并入电容之后，设在cot=0时接通电源，则当 u2由零逐渐增大时，二极管D导通，除有一电流iL流向负载以外还有一电流 iC向电容C充电，充电电压uC的极性为上正下负。 如忽略二极管的内阻，则 uC可充到接近u2的峰值u2m。在u2达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电 压uc也将由于放电而逐渐下降。当u2vuc时，D因反偏而截止，于是 C以一定的时间常数通过 RL按指数规律放电，uc下降。直到下一个正半周，当 u2 uc时，D又导通。如

19、此下去，使输出电压的波形如图中蓝线所 示。显然比未并电容 C前平滑多了。全波或桥式整流电容滤波的原理与半波整波电容滤波基本相同，滤波波形如图Z0711所示。图七口力1全波整流电容源波波形图从以上分析可以看出：1 .加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用造成 的。电容在二极管导通时充电（储能），截止时放电（将能量释放给负载），不但使输出电压的平均值增大，而 且使其变得比较平滑了。2 .电容的放电时间常数（RLC）愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。 故一般C取值较大，RL也要求较大。实际中常按下式来选取C的值：RLC （3

20、5T （半波） GS0714RLC （35） T/2 （全波、桥式） GS07153 .电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了，即导通角小于180 o而且，放电时间常数越大，导通角越小。因此，整流二极管流过的是一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，选择二极管时，必须留有较大余 量。4 .电容滤波电路的外特性（指 UL与IL之间的关系）和脉动特性（指 S与IL之间的关系）比较差，如图 Z0712所示。可以看出输出电压 UL和脉动系数S随着输出电流IL的变化而变化。当IL=0（即RL= 8 ）时, UL = U2 （电容充电到最大值后不再放电），S = 0。当IL增大（即RL减小）时，由于电容放电程度加快而使 UL下降，UL的变化范围在 U20.9 U2之间（指全波或桥式），S变大。所以，电容滤波一般适用于负载电 流变化不大的场合。5 .电容滤波电路输出电压的佑算。如果电容滤波电路的放电时间常数按式GS0714或GS0715取值的话，则输出电压分别为：UL = （0.91.0） U2 （半波） GS0716UL = （1.1 1.2） U2 （全波） GS0717电容滤波电路结构简单、使用方便、应用较广。BACK