电容相关知识总结

  • 格式:pdf
  • 大小:378.75 KB
  • 文档页数:4

电容相关知识总结
本文从电容的真实模型入手,首先分析电容的几个寄生参数对电路性能的影响,接下来介绍电容的频率特性以及电容的典型应用,然后指出选择电容时参照的参数,最后介绍常用的几种电容及其性能特点。

1.电容真实模型
图1
电容真实模型如图1-a所示,Rs为电容的等效串联电阻ESR(Equivalent series resistance),Ls为等效串联电感ESL(Equivalent series inductance),Rp为并联电阻,即绝缘电阻,决定电容的漏电流这个参数,其值越大,漏电流越小,Rda、Cda 分别为电容的介质吸收电阻和介质吸收电容,决定电容的介质吸收性能。

2.电容的寄生参数对电路性能的影响
①ESR:当有较大的纹波电流通过电容时,如果ESR较大,会在电容上产生压降,进而产生损耗,所以ESR较大的电容不适用于射频以及大纹波电流的电源去藕。

另外一些电源反馈控制回路中如果使用ESR较大的电容,容易引起振荡,所以也不宜使用。

ESR也是一把双刃剑,特别是多个数字芯片的去藕应用中,ESR太小的话,电源线的寄生电感有可能与电容形成振荡,从而引起电源的振荡,解决方法就是多个芯片各自去藕的情况下,再共用一个ESR较大(1Ω)的钽电解,起到衰减振荡的作用。

②ESL:由于现在工艺的进步,ESL可以做得很小了,所以单纯的ESL的影响很小了,一般都是由于ESL影响到ESR进而影响电容性能,与ESR类似,ESL 较大的话不能用于射频以及高纹波去藕。

③Rp:Rp较小,漏电流较大的电容不能用于交流耦合以及采样积分电路
④介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布,它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷,见图-2。

因为恢复电荷的数量是原来电荷的函数,实际上这是一种电荷记忆效应。

所以介质吸收严重的不能用于采样积分的电路中。

图-2 介质吸收
3.电容的频率特性
由图1-b电容的简化模型可得出电容的谐振频率和阻抗:
电容的频域阻抗如图-3所示:
图-3
由图可知,当电容工作在谐振频率以下时,表现为容性,当超过其谐振频率,就表现为感性了,此时就不是一个电容而是一个电感了。

所以一定要避免电容工作于谐振频率以上。

ESL和容值对ESR的影响:由下图可知ESL不变的情况下,电容越大,ESR 越小,同样,电容不变,ESL越小,ESR就越小。

所以电解电容容值越大、耐压越高、封装越大,ESR越小。

图-4
4.电容的几种典型应用
图-5
①交流耦合,包括旁路(通过交流信号,同时隔直流信号)
②去耦(滤掉交流信号或滤掉叠加在直流信号上的高频信号或滤掉电源、基准电源和信号电路中的低频成分)
③有源或无源RC滤波或选频网络
④模拟积分器和采样保持电路(捕获和储存电荷)
5.电容选择常用的几个参数:
①温度系数,也就是容值随温度变化的范围
②损耗因数,因为电容器的泄漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感,这三项指标几乎总是很难分开,所以许多电容器制造厂家将它们合并成一项指标,称作损耗因数(D F-d i s s i p a t i o n f a c t o r),主要用来描述电容器的无效程度。

损耗因数定义为电容器每周期损耗能量与储存能量之比。

又称为损耗角正切。

③Q值,又称为品质因数,是损耗因数的倒数。

一般电容的手册中会标注Q或损耗因数。

④介电常数K,电容的不同主要是填充介质的不同,介电常数的大小关系电容的体积和介质吸收不同,介电常数大在较小的体积上就可以集成很大的容量,但介质吸收就很严重,比如说Z5U陶瓷电容。

6.常用电容分类:
电容的分类很多书上介绍了很多方法,其实做容易理解的应该是按填充介质分类,分为三类:有机介质、无机介质、电解质电容。

1)有机介质电容主要有几种:纸介电容、聚酯(涤纶)电容、聚苯乙烯电容、聚丙烯电容、聚四氟乙烯电容。

纸介电容现在不再常用,聚酯薄膜电容,容体比较小,串联电阻小,感抗值较大。

正温度系数(温度上升,容量变大),适用于电容量不大、工作频率不高(如1M H z以下)的场合,可用于低频滤波和旁路。

聚苯乙烯电容、聚丙烯电容、聚四氟乙烯电容都是低损耗、低介质吸收的电容,负温度系数(温度上升,容量变小),适用于稳定性和损耗要求较高的电路中如采样保持电路,但是体积较大,且温度范围不同,聚苯乙烯电容只能用于85℃以下,聚丙烯电容只能用于105℃以下,聚四氟乙烯电容可以用在125℃以下。

2)无机介质电容常用的主要有陶瓷(独石)电容、云母电容。

陶瓷电容按温度系数基本可以分为两类,C l a s s1和C l a s s2两类。

C l a s s1
是温度补偿型,C l a s s2是温度稳定型和普通应用的。

最常用的C l a s s1陶瓷电容是C O G(N P O)温度补偿型电容(±0p p m/℃)。

即容值基本不随温度变化,由于介电常数较高,所以体积较大,网上找到的A V X-N P O 电容容量范围为0.1u F,标称值为E-12,常用于对温度系数和E S R要求较高的电路中,如高频的去藕、耦合、旁路等。

最普通最常用的C l a s s2电容是X7R和Y5V。

在温度范围 -55°C到 125°C之间,X7R能提供仅有±15%变化的的中等容量的电容容量。

它最适合应用在温度范围宽,电容量要求稳定的场合。

X7R电容称为温度稳定型,A V X-X7R电容范围到100u F,标称值为E-6系列。

Y5V能提供最大的电容容量,常用在环境温度变化不大的地方。

在温度范围-30°C t o85°C之间,Y5V电容值的变化是22%t o-82%。

Y5V电容随温度变化太多了,最多能达到80%,一般用在使用环境温度变化不大的地方。

值得注意的是,陶瓷电容不管是c l a s s1或2所不同的就是容值随温度变化的大小,共同点是都具有E S R很小的性质,所以在一些低E S R应用中,即使没有相应容值的N P O,也可以用X7R电容或Y5V电容(温度变化不大)。

图-6陶瓷电容的温度系数曲线
云母电容,说实话我都没见过是什么样的,但是这是一种性能很高的电容,所以也不能不介绍,云母电容稳定性高,温度系数小,常用于振荡、调谐的电路中,好像比较贵,一般用于军工或航天中。

3)电解电容:一般就是两种,铝电解和钽电解
铝电解电容的容体比较大,串联电阻较大,感抗较大,对温度敏感。

它适用于温度变化不大、工作频率不高(不高于25k H z)的场合,可用于低频的电源主滤波。

与铝电解电容相比,钽电解电容在串联电阻、感抗、对温度的稳定性等方面都有明显的优势。

但是,它的工作电压较低。

主要用于对E S R要求较高的高频率波。