电容器相关知识.docx

电容器相关知识.docx

《电容器相关知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容器相关知识.docx（71页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电容器相关知识

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）

2007-07-2811:

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VCC到总电源有一段距离，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VCC管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。

高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是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0.1μF。

这个电容的分布电感的典型值是5μH。

0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。

1μF、10μF的电容，并行共振频率在20MHz以上，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10μF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。

要使用钽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10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。

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，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—符号R，是指通过导体的直流电压与电流之比，单位为欧姆。

电抗—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—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—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—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—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，

W=2πf

电容:

Z=R+jX=R+1/jwc=R+1/j2πfc=R-j1/2πfc

电感:

Z=R+jX=R+jwL=R+j2πfL

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θ>0℃，则说明器件两端有感性，越接近90℃，感性越强，当θ=90℃时，为纯感性器件。

同样θ<0℃，则说明器件有容性，越接近-90℃，容性越强，当θ=-90℃时，为纯容性器件。

常见的几种类型的电容特点如表1所示，

表1：

不同种类电容的优缺点。

现实中并没有纯电阻，也没有纯电容或电感，都是这几种理想器件的组合。

实际的电解电容的等效电路可以表示如图2所示。

其中：

Ra—介质吸收引起的电阻，Ca—介质吸收引起的电容，RLE—漏电引起的电阻，RL—引线引起的电阻，LL—引线引起的电感。

实际的多层陶瓷电容的等效电路则可以如3表示，对于用作滤波作用的电容，当然不希望有ESL，即使在高频也保持良好的容性，即θ等于或接近-90度。

图2：

电解电容的等效电路。

电容的并联效果

既然实际的电容特性与理想电容有一定的差距，那么接在输入、输出端的滤波电容到底产生了什么样的作用呢？

有的应用手册上给出，使用两颗电容并联到GND，一颗容值较大的电解电容，另一颗是容值较小的陶瓷电容，比如C1=10uF，C2=0.1uF，为了研究并联的交流特性，加入一只电阻R0，等效成如下电路，交流特性的影响是由两只电容引起的，如图4所示。

图3：

多层陶瓷电容的等效电路。

图4：

两只电容并联的交流等效电路。

其中R0为信号源内阻，R1为电容C1的等效串联电阻，R2为电容C2的等效串联电阻。

传输函数可以表示成下式，

从上式不难看出，系统包括两个极点，两个零点。

，当满足条件C1>>C2，R1>>R2时，极点可以表达成下式，

以上面50V/10uF电解电容，和16V/1uF陶瓷电容的数据作为依据，对上述器件进行如下赋值，ESR取f=100kHz的值。

R0=1Ω，C1=8.21uF，C2=0.997uF，R1=774mΩ，R2=190mΩ，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C2，AC曲线将保持水平，不再有衰减。

正是由于C2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C2以及R2远小于C1、R1。

这是假定电容C、ESR在所有频率下都是定值的条件下，用MATHCAD计算出的理想曲线。

实际上，根据上表中的数据告诉我们，C、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（Agilent4395A）得到的实际频响曲线。

图5：

两只电容并联的幅度\相位频率特性。

图6：

根据实测数据计算出的频率特性。

在频率小于100kHz时，图5与图6几乎没有差别，大约在f>700kHz，由于ESL的作用，增益上翘。

当满足条件R1×C1=R2×C2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->

极点->

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

图8：

三只电容并联的交流等效电路。

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=1Ω、C1=10uF、C2=1uF、C3=0.1uF、R1=2Ω、R2=100mΩ、R3=50mΩ，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R1×C1=R2×C2=R3×C3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//C3，ESR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。

幸运的是，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。

图9：

三只电容并联计算出的频率响应。

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（S）＝

GS0712

    例如，全波整流输出电压uL可用付氏级数展开为：

GS0713

其中基波最大值为0.6U2，直流分量（平均值）为0.9U2，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：

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，π型LC滤波和π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

电容C并联于负载RL的两端，uL＝uC。

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ωt=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u2＜uc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。

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（τ＝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≥（3～5＞T（半波）GS0714

RLC≥（3～5）T／2（全波、桥式）GS0715

    3．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°。

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=∞）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U2～0.9U2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＝（0.9～1.0）U2（半波）GS0716

    UL＝（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