電子設計基礎(二)：電容

　　由上可見(jiàn)，當紋波電流增大的時(shí)候，即使在 ESR 保持不變的情況下，漣波電壓也會(huì )成倍提高。換言之，當紋波電壓增大時(shí)，紋波電流也隨之增大，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后，由于電容內部的等效串連電阻（ESR）引起發(fā)熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的，紋波電流與頻率成正比，因此低頻時(shí)紋波電流也比較低。

　　七、電容器容量標示

　　1、 直標法

　　用數字和單位符號直接標出。如01uF 表示0.01 微法，有些電容用“R”表

　　示小數點(diǎn)，如R56 表示0.56 微法。

　　2、 文字符號法

　　用數字和文字符號有規律的組合來(lái)表示容量。如p10 表示0.1pF，1p0 表示

　　1pF，6P8 表示6.8pF， 2u2 表示2.2uF

　　3、 色標法

　　用色環(huán)或色點(diǎn)表示電容器的主要參數。電容器的色標法與電阻相同。

　　電容器偏差標志符號：+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z。

　　八、電容的作用

　　作為無(wú)源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

　　1、應用于電源電路，實(shí)現旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類(lèi)詳述之：

　　1）旁路

　　旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。 就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。

　　2）去藕

　　去藕，又稱(chēng)解藕。 從電路來(lái)說(shuō)， 總是可以區分為驅動(dòng)的源和被驅動(dòng)的負載。

　　如果負載電容比較大， 驅動(dòng)電路要把電容充電、放電， 才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候， 電流比較大， 這樣驅動(dòng)的電流就會(huì )吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì )產(chǎn)生反彈），這種電流相對于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì )影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。

　　去藕電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿(mǎn)足驅動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。

　　將旁路電容和去藕電容結合起來(lái)將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF 等；

　　而去耦合電容的容量一般較大，可能是10μF 或者更大，依據電路中分布參數、以及驅動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。

　　旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質(zhì)區別。

　　3）濾波

　　從理論上（即假設電容為純電容）說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)1μF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì )增大。有時(shí)會(huì )看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過(guò)，電容越大高頻越容易通過(guò)。具體用在濾波中，大電容（1000μF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。

　　曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì )突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘，不會(huì )因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過(guò)程。

　　4）儲能

　　儲能型電容器通過(guò)整流器收集電荷，并將存儲的能量通過(guò)變換器引線(xiàn)傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000μF 之間的鋁電解電容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是較為常用的。根據不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì )采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對于功率級超過(guò)10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

　　2、應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數的作用：

　　1）耦合

　　舉個(gè)例子來(lái)講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合， 這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容， 由于適當容量的電容器對交流信號較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應，故稱(chēng)此電容為去耦電容。

　　2）振蕩/同步

　　包括RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。

　　3）時(shí)間常數

　　這就是常見(jiàn)的 R、C 串聯(lián)構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時(shí)，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著(zhù)電壓的上升而減小。電流通過(guò)電阻（R）、電容（C）的特性通過(guò)下面的公式描述：

　　i = （V / R）e - （t / CR）

　　九、電容的選擇

　　通常，應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認為，應基于以下幾點(diǎn)考慮：

　　1、靜電容量；

　　2、額定耐壓；

　　3、容值誤差；

　　4、直流偏壓下的電容變化量；

　　5、噪聲等級；

　　6、電容的類(lèi)型；

　　7、電容的規格。

　　那么，是否有捷徑可尋呢？其實(shí)，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個(gè)器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數，也就是說(shuō)，據此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細化之。

　　其實(shí)選用電容時(shí)不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。

　　下面是 chip capacitor 根據電介質(zhì)的介電常數分類(lèi)， 介電常數直接影響電路的穩定性。

　　NP0 or CH （K 150）： 電氣性能最穩定，基本上不隨溫度﹑電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對穩定性要求高的高頻電路。鑒于K 值較小，所以在0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF以下。

　　X7R or YB （2000 K 4000）： 電氣性能較穩定，在溫度﹑電壓與時(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著(zhù)（ΔC ±10%）。適用于隔直、偶合、旁路與對容量穩定性要求不太高的全頻鑒電路。

　　Y5V or YF（K > 15000）： 容量穩定性較 X7R 差（ΔC +20% ～ -80%），容量﹑損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，但由于其K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場(chǎng)合。

　　十、多層陶瓷電容（MLCC）

　　對于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢。其中，要數多層陶瓷電容（MLCC）的發(fā)展最快。

　　多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應用極為廣泛，但近年來(lái)數字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對其提出了新要求。例如，手機要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。 而汽車(chē)環(huán)境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿(mǎn)足150℃ 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失效保護設計。

　　也就是說(shuō)，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。

　　陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數， 因此需要從材料方面，降低介電常數對電壓的依賴(lài)，優(yōu)化直流偏置電壓特性。

　　應用中較為常見(jiàn)的是 X7R（X5R）類(lèi)多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF 以上，該類(lèi)電容器主要性能指標是等效串聯(lián)電阻（ESR），在高波紋電流的電源去耦、濾波及低頻信號耦合電路的低功耗表現比較突出。

　　另一類(lèi)多層陶瓷電容是 C0G 類(lèi)，它的容量多在 1000pF 以下， 該類(lèi)電容器主要性能指標是損耗角正切值 tgδ（DF）。傳統的貴金屬電極（NME）的 C0G產(chǎn)品 DF 值范圍是 （2.0 ～ 8.0） × 10-4，而技術(shù)創(chuàng )新型賤金屬電極（BME）的C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍