高速PCB設計中電容的作用

第一部分：電容的分類(lèi)

　　電容在電路的設計中從應用上進(jìn)行分類(lèi)，可以將電容分為四類(lèi)：

　　第一類(lèi)： AC耦合電容。主要用于Ghz信號的交流耦合。

　　第二類(lèi)： 退耦電容。主要用于保持濾除高速電路板的電源或地的噪聲。

　　第三類(lèi)： 有源或無(wú)源RC濾波或選頻網(wǎng)絡(luò )中用到的電容。

　　第四類(lèi)： 模擬積分器和采樣保持電路中用到的電容。

　　在本文中我們將主要討論第二大類(lèi)退耦電容。

　　電容從制造的材料和工藝進(jìn)行分類(lèi)，主要有以下不同形式的電容：

　　1、NPO陶瓷電容器

　　2、聚苯乙烯陶器電容器

　　3、聚丙烯電容器

　　4、聚四氟乙烯電容器

　　5、MOS電容器

　　6、聚碳酸酯電容器

　　7、聚脂電容器

　　8、單片陶瓷電容器

　　9、云母電容器

　　10、鋁電解電容器

　　11、鉭電解電容器

　　在實(shí)際的設計中由于，價(jià)格、采購等各方面原因經(jīng)常用的電容有：陶瓷電容、鋁電解電容、鉭電容。

　　第二部分：電容的具體模型和分布參數

　　要正確合理的應用電容，自然需要認識電容的具體模型以及模型中各個(gè)分布參數的具體意義和作用。和其他的元器件一樣，實(shí)際中的電容與理想電容器不同， 實(shí)際電容器由于其封裝、材料等方面的影響，其就具備有電感、電阻的一個(gè)附加特性，必須用附加的寄生元件或非理想 性能來(lái)表征，其表現形式為電阻元件和電感元件，非線(xiàn)性和介電存儲性能。實(shí)際電容器模型如下圖所示。由于這些寄生元件決定的電容器的特性，通常在電容器生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品說(shuō)明中都有詳細說(shuō)明。在每項應用中了解這些寄生作用，將有助于你選擇合適類(lèi)型的電容器。

　　從上面的圖我們可以看出，電容實(shí)際上應該由六個(gè)部分組成。除了自己的電容C外，還有以下部分組成：

　　1、等效串聯(lián)電阻ESR RESR ：電容器的等效串聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相串聯(lián)構成的。當有大的交流電流通過(guò)電容器，RESR使電容器消耗能量(從而產(chǎn)生損耗)。這對射頻電路和載有高波紋電流的電源去耦電容器會(huì )造成嚴重后果。但對精密高阻抗、小信號模擬電路不會(huì )有很大的影響。RESR 最低的電容器是云母電容器和薄膜電容器。

　　2、等效串聯(lián)電感ESL，LESL ：電容器的等效串聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構成的。像RESR 一樣，LESL 在射頻或高頻工作環(huán)境下也會(huì )出現嚴重問(wèn)題，雖然精密電路本身在直流或低頻條件下正常工作。其原因是用于精密模擬電路中的晶體管在過(guò)渡頻率(transition frequencies)擴展到幾百兆赫或幾吉赫的情況下，仍具有增益，可以放大電感值很低的諧振信號。這就是在高頻情況下對這種電路的電源端要進(jìn)行適當去耦的主要原因。

　　3、等效并聯(lián)電阻EPR RL ：就是我們通常所說(shuō)的電容器泄漏電阻，在交流耦合應用、存儲應用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當電容器用于高阻抗電路時(shí)，RL 是一項重要參數，理想電容器中的電荷應該只隨外部電流變化。然而實(shí)際電容器中的RL 使電荷以RC時(shí)間常數決定的速率緩慢泄漏。

　　4、還是兩個(gè)參數RDA、CDA 也是電容的分布參數，但在實(shí)際的應該中影響比較小，這里就不介紹了。所以電容重要分布參數的有三個(gè)：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、ESL，實(shí)際在分析電容模型的時(shí)候一般只用RLC簡(jiǎn)化模型，即分析電容的C、ESR、ESL，這我們將在下周做重點(diǎn)分析電容的簡(jiǎn)化模型。

　　5、下面我們在介紹詳細模型的基礎上，談?wù)勎覀冊O計中經(jīng)常用到兩種電容：

　　6、電解電容器(比如：鉭電容器和鋁電解電容器)的容量很大，由于其隔離電阻低，就是等效并聯(lián)電阻EPR很小，所以漏電流非常大 (典型值520nA/μF)，因此它不適合用于存儲和耦合。電解電容比較適合用于電源的旁路電容，用于穩定電源的供電。最適合用于交流耦合及電荷存儲的電容器是聚四氟乙烯電容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚苯乙烯等)電容器。

　　7、單片陶瓷電容器，比較適合用于高頻電路的退耦電容，因為它們具有很低的等效串聯(lián)電感，就是等效串聯(lián)電感ESL很小，具備有很廣的退耦頻段。這和他的結構構成有很大的關(guān)系單片陶瓷電容器是由多層夾層金屬薄膜和陶瓷薄膜構成的，而且這些多層薄膜是按照母線(xiàn)平行方式排布的，而不是按照串行方式卷繞的。

　　8、這周我們談了電容的詳細的等效模型，相信大家現在對電容應該有比較深的認識了，下周我們將繼續談，我們實(shí)際分析應用中要經(jīng)常用到的電容的簡(jiǎn)化等效模型，和他阻抗曲線(xiàn)的由來(lái)和意義。