电容非理想特性浅析作者：时间：2010-10-18内容简介一、认识电容二、电容分类三、电容作用 四、电容特性 五、电容应用 认识电容什么是电容？ 电容（Capacitance）是表征电容器容纳电荷 本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增 加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。 一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导 体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积 在导体上，造成电荷的累积储存。最常见的例子就是 两片平行金属板。 电容的分类l铝电解电容器：它是由铝圆筒做负极、里面装有液体电解质， 插人一片弯曲的铝带做正极制成。还需经直流电 压处理，做正极的片上形成一层氧化膜做介质。 其特点是容量大、但是漏电大、稳定性差、有正 负极性，适于电源滤波或低频电路中，使用时， 正、负极不要接反。 电容的分类l钽铌电解电容器：它用金属钽或者铌做正极，用稀硫酸等配液做 负极，用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成。 其特点是：体积小、容量大、性能稳定、寿命长 。绝缘电阻大。温度性能好，用在要求较高的设 备中。 电容的分类传统的看法是钽电容性能比铝电容好，因为钽 电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽，它 的介电能力（通常用表示）比铝电容的三氧化二 铝介质要高。因此在同样容量的情况下，钽电容 的体积能比铝电容做得更小。（电解电容的电容 量取决于介质的介电能力和体积，在容量一定的 情况下，介电能力越高，体积就可以做得越小， 反之，体积就需要做得越大）再加上钽的性质比 较稳定，所以通常认为钽电容性能比铝电容好。 电容的分类l陶瓷电容器：用陶瓷做介质。在陶瓷基体两面喷涂银层， 然后烧成银质薄膜作极板制成。其特点是：体积 小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小 ，适用于高频电路。 电容的分类l薄膜电容器：介质是涤纶或聚苯乙烯。涤纶薄膜电容，介 质常数较高，体积小、容量大、稳定性较好，适 宜做旁路电容。聚苯乙烯薄膜电容器，介质损耗 小、绝缘电阻高，但温度系数大，可用于高频电 路。 电容的分类l云母电容器：介质损耗小、绝缘电阻大。温度系数小 ，适用于高频电路。l纸介电容器：体积较小，容量可以做得较大，适用于 低频电路。l超级电容器：可以存储非常高的能量并且可以在极短 的时间内释放。l电力电子电容器：用来转换和控制功率的储能元件， 需要处理很高的电流和很高的电压变化速率。1隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。2旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻 抗通路。3耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并 传输到下一级电路4滤波：显卡上的电容基本都是这个作用。5温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影 响，而进行补偿，改善电路的稳定性。 电容的用途6计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数 。7调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、 收音机、电视机。8整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。9储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪 光灯，加热设备等等。 电容用途说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁 路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼 ，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗 的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来： Xcap=1/2fC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻 抗越小。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信 号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为 了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影 响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么 又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容 器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。 电容特性n对于理想的电容器来 说，不考虑寄生电感 和电阻的影响，那么 我们在电容设计上就 没有任何顾虑，电容 的值越大越好。 电容特性n但实际情况却相差很远，并不 是电容越大对高速电路越有利 ，反而小电容才能被应用于高 频。理解这个问题，我们首先 必须了解实际电容器本身的特 性，可以看到实际的电容器要 比理想的电容复杂的多，除了 包含寄生的串联电阻Rs（ESR ），串联电感Ls（ESL），还 有泄漏电阻Rp，介质吸收电容 Cda，和介质吸收电阻Rda等。n等效串联电阻Rs：电容器的等效串联电阻是由电 容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相 串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，Rs 使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电 路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严 重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会 有太大的影响。Rs最低的电容器是云母电容器和 薄膜电容器。 电容特性n等效串联电感Ls：电容器的等效串联电感是由电 容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串 联构成的。像Rs一样，Ls在射频或高频工作环境 下也会出现严重问题。其原因是用于精密模拟电 路中的晶体管在过渡频率(Transition frequencies)扩展到几百兆赫或几G赫的情况下 ，仍具有增益，可以放大电感值很低的谐振信号 ，这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进 行适当去耦的主要原因。 电容特性n等效并联电阻Rp：就是我们通常所说的电 容器泄漏电阻，在交流耦合应用、存储应 用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电 容器用于高阻抗电路时，Rp是一项重要参 数，理想电容器中的电荷应该只随外部电 流变化。然而实际电容器中的Rp使电荷以 RC时间常数决定的速率缓慢泄漏。 电容特性 电容特性n对电容的高频特性影响最大的则是Rs和Ls， 我们通常采用图中简化的实际模型。 电容可以看成是一个串联的等效电路，其等 效阻抗和串联谢振频率分别为： 电容特性n当它在低频的情况(谐振频 率以下)，表现为电容性的 器件，而当频率增加（超 过谐振频率）的时候，它 渐渐的表现为电感性的器 件。也就是说它的阻抗随 着频率的增加先增大后减 小，等效阻抗的最小值发 生在串联谐振频率是，这 时候，电容的容抗和感抗 正好抵消，表现为阻抗大 小恰好等于寄生串联电阻 Rs 电容特性描述曲线的锐度可以用品质因素Q值来表示，即Q越 大，谐振频率曲线越尖，能量衰减的越慢，它主要 和ESL和ESR的比值有关 Q=Ls/Rs 电容特性 电容特性 电容特性 电容特性 电容特性 电容特性电容在电源完整性设计中的应用n电源噪声 从表现形式上来看可以分为三类：同步 开关噪声（SSN），有时被称为i噪声； 非理想电源阻抗影响；谐振及边缘效应。 电容在电源完整性设计中的应用n对于一个理想的电源 来说，其阻抗为零， 在平面任何一点的电 位都是保持恒定的（ 等于系统供给电压） ，然而实际的情况并 不如此，而是存在很 大的噪声干扰，甚至 有可能影响系统的正 常工作电容在电源完整性设计中的应用电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构 成的网络，也可以看成是一个共振腔，在一定频率 下，这些电容和电感会发生谐振现象，从而影响电 源层的阻抗。随着频率的增加，电源阻抗是不断变 化的，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻 抗也随之明显增加。n电源平面和地平面的边缘效应同样是电源设计中 需要注意的问题，这里说的边缘效应就是指边缘 反射和辐射现象，也可以列入EMI讨论的范畴。如 果抑制了电源平面上的高频噪声，就能很好的减 轻边缘的电磁辐射，通常是采用添加去耦电容的 方法电容在电源完整性设计中的应用n电源阻抗设计电源之所以波动，就是因为实际的电源平面总是存在 着阻抗，这样，在瞬间电流通过的时候，就会产生一定的 电压降和电压摆动。大部分数字电路器件对电源波动的要 求在正常电压的+/-5%范围之内。 为了保证每个器件始终都能得到正常的电源供应，就 需要对电源的阻抗进行控制，也就是尽可能降低其阻抗。 针对一个特定的电源，设计的最大电源阻抗为：电容在电源完整性设计中的应用n从上面的计算公式可以看出，随着电源电压不断 减小，瞬间电流不断增大，所允许的最大电源阻 抗也大大降低。而当今电路设计的趋势恰恰如此 。n几乎每过三年，电源阻抗就要降为原来的五分之 一电容在电源完整性设计中的应用n由于电源阻抗的要求，以往的电源总线形式已经 不可能适用于高速电路，目前基本上都 是采用了 大面积的铜皮层作为低阻抗的电源分配系统。当 然，电源层本身的低阻抗还是不能满足设计的需 要，需要考虑的问题还很多，比如，芯片封装中 的电源管脚，连接器的接口，以及高频下的谐振 现象等等，这些都可能会造成电源阻抗的显著增 加。解决这些问题的最简单也最有效的方案就是大量使用去耦电容电容在电源完整性设计中的应用n电容并联特性及反谐振 实际应用中的电容往往都是多个并联使用，因 为这样可以大大降低等效的Rs和Ls，增大电容。 对于多个（n）同样值的电容来说，并联使用之后 ，等效电容C变为nC，等效电感L变为L/n，等效Rs 变为R/n，但谐振频率不变电容在电源完整性设计中的应用电容在电源完整性设计中的应用等值电容并联特性n不同值的电容并联情况就会更为复杂，因为每个 电容的谐振频率不同，当工作频率处于两个谐振 频率之间时，一些电容表现为感性，另外一些表 现为容性，这就形成了一个LC并联谐振电路，当 处于谐振状态时，电感和电容之间进行周期性的 能量交换，这样流经电源层的电流极小，电源层 表现为高阻抗状态，这种现象也被称为反谐振电容在电源完整性设计中的应用n前面提到，Q值是体现电路中能量衰减的品质因素 ，Q值太大，会造成曲线中的尖峰加剧，一般应用 于电源旁路的时候，我们应该使用Q值较小的电容 。此外，使用多种电容，减小不同电容之间谐振 频率的相对差值，也可以有效的减小反谐振的影 响电容在电源完整性设计中的应用电容在电源完整性设计中的应用电容的并联谐振现象多种电容减轻反谐振现象电容在电源完整性设计中的应用电容在电源完整性设计中的应用电容在电源完整性设计中的应用电容在电源完整性设计中的应用谢谢！