原创 电容

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电容<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

电容是板卡设计中必用的元件，其品质的好坏已经成为我们判断板卡质量的一个很重要的方面。

①电容的功能和表示方法。

由两个金属极，中间夹有绝缘介质构成。电容的特性主要是隔直流通交流，因此多用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐。电容在电路中用“C”加数字表示，比如C8，表示在电路中编号为8的电容。

②电容的分类。

电容按介质不同分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。按极性分为：有极性电容和无极性电容。按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。

③电容的容量。

电容容量表示能贮存电能的大小。电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，容抗与交流信号的频率和电容量有关，容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)。

④电容的容量单位和耐压。

电容的基本单位是F（法），其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。由于单位F 的容量太大，所以我们看到的一般都是μF、nF、pF的单位。换算关系：1F＝1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。

每一个电容都有它的耐压值，用V表示。一般无极电容的标称耐压值比较高有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。有极电容的耐压相对比较低，一般标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。

⑤电容的标注方法和容量误差。

电容的标注方法分为：直标法、色标法和数标法。对于体积比较大的电容，多采用直标法。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。

数标法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是10的多少次方。如：102表示10x10x10 PF="1000PF"，203表示20x10x10x10 PF。

色标法，沿电容引线方向，用不同的颜色表示不同的数字，第一、二种环表示电容量，第三种颜色表示有效数字后零的个数（单位为pF）。颜色代表的数值为：黑=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。

电容容量误差用符号F、G、J、K、L、M来表示，允许误差分别对应为±1%、±2%、±5%、±10%、±15%、±20%。

⑥电容的正负极区分和测量。

电容上面有标志的黑块为负极。在PCB上电容位置上有两个半圆，涂颜色的半圆对应的引脚为负极。也有用引脚长短来区别正负极长脚为正，短脚为负。

当我们不知道电容的正负极时，可以用万用表来测量。电容两极之间的介质并不是绝对的绝缘体，它的电阻也不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000兆欧以上。电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻或漏电电阻。只有电解电容的正极接电源正（电阻挡时的黑表笔），负端接电源负（电阻挡时的红表笔）时，电解电容的漏电流才小（漏电阻大）。反之，则电解电容的漏电流增加（漏电阻减小）。这样，我们先假定某极为“+”极，万用表选用R*100或R*1K挡，然后将假定的“+”极与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），对于数字万用表来说可以直接读出读数。然后将电容放电（两根引线碰一下），然后两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的位置靠左（或阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。

⑦电容使用的一些经验及来四个误区。

一些经验：在电路中不能确定线路的极性时，建议使用无极电解电容。通过电解电容的纹波电流不能超过其充许范围。如超过了规定值，需选用耐大纹波电流的电容。电容的工作电压不能超过其额定电压。在进行电容的焊接的时候，电烙铁应与电容的塑料外壳保持一定的距离，以防止过热造成塑料套管破裂。并且焊接时间不应超过10秒，焊接温度不应超过260摄氏度。

四个误区：

●电容容量越大越好。

很多人在电容的替换中往往爱用大容量的电容。我们知道虽然电容越大，为IC提供的电流补偿的能力越强。且不说电容容量的增大带来的体积变大，增加成本的同时还影响空气流动和散热。关键在于电容上存在寄生电感，电容放电回路会在某个频点上发生谐振。在谐振点，电容的阻抗小。因此放电回路的阻抗最小，补充能量的效果也最好。但当频率超过谐振点时，放电回路的阻抗开始增加，电容提供电流能力便开始下降。电容的容值越大，谐振频率越低，电容能有效补偿电流的频率范围也越小。从保证电容提供高频电流的能力的角度来说，电容越大越好的观点是错误的，一般的电路设计中都有一个参考值的。

●同样容量的电容，并联越多的小电容越好，

耐压值、耐温值、容值、ESR(等效电阻)等是电容的几个重要参数，对于ESR自然是越低越好。ESR与电容的容量、频率、电压、温度等都有关系。当电压固定时候，容量越大，ESR越低。在板卡设计中采用多个小电容并连多是出与PCB空间的限制，这样有的人就认为，越多的并联小电阻，ESR越低，效果越好。理论上是如此，但是要考虑到电容接脚焊点的阻抗，采用多个小电容并联，效果并不一定突出。

●ESR越低，效果越好。

结合我们上面的提高的供电电路来说，对于输入电容来说，输入电容的容量要大一点。相对容量的要求，对ESR的要求可以适当的降低。因为输入电容主要是耐压，其次是吸收MOSFET的开关脉冲。对于输出电容来说，耐压的要求和容量可以适当的降低一点。ESR的要求则高一点，因为这里要保证的是足够的电流通过量。但这里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡。而消振电路复杂同时会导致成本的增加。板卡设计中，这里一般有一个参考值，此作为元件选用参数，避免消振电路而导致成本的增加。

●好电容代表着高品质。

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：从元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。

   耦合指信号由第一级向第二级传递的过程，一般不加注明时往往是指交流耦合。退耦是指对电源采取进一步的滤波措施，去除两级间信号通过电源互相干扰的影响。耦合常数是指耦合电容值与第二级输入阻抗值乘积对应的时间常数。退耦有三个目的：1.将电源中的高频纹波去除，将多级放大器的高频信号通过电源相互串扰的通路切断；2.大信号工作时，电路对电源需求加大，引起电源波动，通过退耦降低大信号时电源波动对输入级/高电压增益级的影响；3.形成悬浮地或是悬浮电源，在复杂的系统中完成各部分地线或是电源的协调匹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干扰的耦合方式 干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道对电控系统发生电磁干扰作用的。干扰的耦合方式无非是通过导线、空间、公共线等作用在电控系统上。分析下来主要有以下几种：

  直接耦合：这是干扰侵入最直接的方式，也是系统中存在最普遍的一种方式。如干扰信号通过导线直接侵入系统而造成对系统的干扰。对这种耦合方式，可采用滤波去耦的方法有效地抑制电磁干扰信号的传入。

公共阻抗耦合：这也是常见的一种耦合方式。常发生在两个电路的电流有共同通路的情况。公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。防止这种耦合应使耦合阻抗趋近于零、使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

  电容耦合：又称电场耦合或静电耦合，是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。 电磁感应耦合：又称磁场耦合。是由于内部或外部空间电磁场感应的一种耦合方式，防止这种耦合的常用方法是对容易受干扰的器件或电路加以屏蔽。辐射耦合：电磁场的辐射也会造成干扰耦合，是一种无规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。另当信号传输线较长时，它们能辐射干扰波和接收干扰波，称为大线效应。 漏电耦合：所谓漏电耦合就是电阻性耦合。这种干扰常在绝缘降低时发生。记得以前我的观点是：去藕电容一般容量比较大，也就是避免噪声耦合到其他部分的意思；旁路电容容量小，提供低阻抗的噪声回流路径。实这种说法也可以算没有什么大错误。但是经过偶查阅了相关资料，才发现其实decouple和bypass从根本上来说没有任何区别，两者在称谓上可以互换。两者的作用低俗一点说：当电源用。所谓噪声其实就是电源的波动，电源波动来自于两个方面：电源本身的波动，负载对电流需求变化和电源系统相应能力的差别带来的电压波动。而去藕和旁路电容都是相对负载变化引起的噪声来说。所以他们两个没有必要做区分。而且实际上电容值的大小，数量也是有理论根据可循的，如果随意选择，可能会在某些情况下遇到去藕电容（旁路）和分布参数发生自激振荡的情况。所以真正意义上的去藕和旁路都是根据负载和供电系统的实际情况来说的。没有必要去做区分，也没有本质区别。