电子设计基础(二)：电容

　　由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

　　七、电容器容量标示

　　1、 直标法

　　用数字和单位符号直接标出。如01uF 表示0.01 微法，有些电容用“R”表

　　示小数点，如R56 表示0.56 微法。

　　2、 文字符号法

　　用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。如p10 表示0.1pF，1p0 表示

　　1pF，6P8 表示6.8pF， 2u2 表示2.2uF

　　3、 色标法

　　用色环或色点表示电容器的主要参数。电容器的色标法与电阻相同。

　　电容器偏差标志符号：+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z。

　　八、电容的作用

　　作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

　　1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。下面分类详述之：

　　1）旁路

　　旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。 就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。 这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

　　2）去藕

　　去藕，又称解藕。 从电路来说， 总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。

　　如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放电， 才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候， 电流比较大， 这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。

　　去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

　　将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF 等；

　　而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF 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。

　　旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。

　　3）滤波

　　从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1μF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中，大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。

　　曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。

　　4）储能

　　储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。 电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000μF 之间的铝电解电容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

　　2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：

　　1）耦合

　　举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合， 这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容， 由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗，这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。

　　2）振荡/同步

　　包括RC、LC 振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。

　　3）时间常数

　　这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通过下面的公式描述：

　　i = （V / R）e - （t / CR）

　　九、电容的选择

　　通常，应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢？笔者认为，应基于以下几点考虑：

　　1、静电容量；

　　2、额定耐压；

　　3、容值误差；

　　4、直流偏压下的电容变化量；

　　5、噪声等级；

　　6、电容的类型；

　　7、电容的规格。

　　那么，是否有捷径可寻呢？其实，电容作为器件的外围元件，几乎每个器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比较明确地指明了外围元件的选择参数，也就是说，据此可以获得基本的器件选择要求，然后再进一步完善细化之。

　　其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装，具体要看产品所使用环境，特殊的电路必须用特殊的电容。

　　下面是 chip capacitor 根据电介质的介电常数分类， 介电常数直接影响电路的稳定性。

　　NP0 or CH （K 150）： 电气性能最稳定，基本上不随温度﹑电压与时间的改变而改变，适用于对稳定性要求高的高频电路。鉴于K 值较小，所以在0402、0603、0805 封装下很难有大容量的电容。如 0603 一般最大的 10nF以下。

　　X7R or YB （2000 K 4000）： 电气性能较稳定，在温度﹑电压与时间改变时性能的变化并不显著（ΔC ±10%）。适用于隔直、偶合、旁路与对容量稳定性要求不太高的全频鉴电路。

　　Y5V or YF（K > 15000）： 容量稳定性较 X7R 差（ΔC +20% ～ -80%），容量﹑损耗对温度、电压等测试条件较敏感，但由于其K 值较大，所以适用于一些容值要求较高的场合。

　　十、多层陶瓷电容（MLCC）

　　对于电容而言，小型化和高容量是永恒不变的发展趋势。其中，要数多层陶瓷电容（MLCC）的发展最快。

　　多层陶瓷电容在便携产品中广泛应用极为广泛，但近年来数字产品的技术进步对其提出了新要求。例如，手机要求更高的传输速率和更高的性能；基带处理器要求高速度、低电压；LCD 模块要求低厚度（0.5mm）、大容量电容。 而汽车环境的苛刻性对多层陶瓷电容更有特殊的要求：首先是耐高温，放置于其中的多层陶瓷电容必须能满足150℃ 的工作温度；其次是在电池电路上需要短路失效保护设计。

　　也就是说，小型化、高速度和高性能、耐高温条件、高可靠性已成为陶瓷电容的关键特性。

　　陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低了介电常数， 因此需要从材料方面，降低介电常数对电压的依赖，优化直流偏置电压特性。

　　应用中较为常见的是 X7R（X5R）类多层陶瓷电容， 它的容量主要集中在1000pF 以上，该类电容器主要性能指标是等效串联电阻（ESR），在高波纹电流的电源去耦、滤波及低频信号耦合电路的低功耗表现比较突出。

　　另一类多层陶瓷电容是 C0G 类，它的容量多在 1000pF 以下， 该类电容器主要性能指标是损耗角正切值 tgδ（DF）。传统的贵金属电极（NME）的 C0G产品 DF 值范围是 （2.0 ～ 8.0） × 10-4，而技术创新型贱金属电极（BME）的C0G 产品 DF 值范围