1樓：匿名使用者
問：我想知道如何為具體的應用選擇合適的電容器，但我又不清楚許多不同種類 的電容器有哪些優點和缺點?
答：為具體的應用選擇合適型別的電容器實際上並不困難。一般來說，按應用分 類，大多數電容器通常分為以下四種型別(見圖14.1)：
•交流耦合，包括旁路(通過交流訊號，同時隔直流訊號)
•去耦(濾掉交流訊號或濾掉疊加在直流訊號上的高頻訊號或濾掉電源、基準電源 和訊號電路中的低頻成分)
•有源或無源rc濾波或選頻網路
•模擬積分器和取樣保持電路(捕獲和儲存電荷)
儘管流行的電容器有十幾種，包括聚脂電容器、薄膜電容器、陶瓷電容器、電解電容器，但 是對某一具體應用來說，最合適的電容器通常只有一兩種，因為其它型別的電容器，要麼有 的效能明顯不完善，要麼有的對系統效能有「寄生作用」，所以不採用它們。
問：你談到的「寄生作用」是怎麼回事?
答：與「理想」電容器不同，「實際」電容器用附加的「寄生」元件或「非理想 」效能來表徵，其表現形式為電阻元件和電感元件，非線性和介電儲存效能。「實際」電容器模型如圖14.
2所示。由於這些寄生元件決定的電容器的特性，通常在電容器生產廠家的產品說 明中都有詳細說明。在每項應用中瞭解這些寄生作用，將有助於你選擇合適型別的電容器。
圖14.2 「實際」電容器模型
問：那麼表徵非理想電容器效能的最重要的引數有哪些?
答：最重要的引數有四種：電容器洩漏電阻rl(等效並聯電阻epr)、等效串聯電 阻(esr)、等效串聯電感(esl)和介電儲存(吸收)。
電容器洩漏電阻，rp：在交流耦合應用、儲存應用(例如模擬積分器和採 樣保持器)以及當電容器用於高阻抗電路時，rp是一項重要引數，電容器的洩漏模型如圖1 4.3所示。
圖14.3 電容器的洩漏模型
理想電容器中的電荷應該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的rp使電荷以r�c時間常 數決定的速率緩慢洩漏。
電解電容器(鉭電容器和鋁電容器)的容量很大，由於其隔離電阻低，所以漏電流非常大 (典型值5～20na/μf)，因此它不適合用於儲存和耦合。
最適合用於交流耦合及電荷儲存的電容器是聚四氟乙烯電容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚 苯乙烯等)電容器。
等效串聯電阻(esr)，r esr ：電容器的等效串聯 電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個極板的等效電阻相串聯構成的。當有大的交流電流 通過電容器，r esr 使電容器消耗能量(從而產生損耗)。
這對射頻電路和載有高波紋電 流的電源去耦電容器會造成嚴重後果。但對精密高阻抗、小訊號類比電路不會有很大的影響 。r esr 最低的電容器是雲母電容器和薄膜電容器。
等效串聯電感(esl)，l esl ：電容器的等效串聯電 感是由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯構成的。像r esr 一樣，l esl 在射頻或高頻工作環境下也會出現嚴重問題，雖然精密電路本身在直流或低頻條件下正常工作。
其原因是用精密類比電路中的電晶體在過渡頻率(transition freque ncie s)擴充套件到幾百兆赫或幾g赫的情況下，仍具有增益，可以放大電感值很低的諧振訊號。 這就是在高頻情況下對這種電路的電源端要進行適當去耦的主要原因。
電解電容器、紙介電容器和塑料薄膜電容器不適合用於高頻去耦。這些電容器基本上是由多 層塑料或紙介質把兩張金屬箔隔開然後捲成一個捲筒製成的。這種結構的電容具有相當大的自感，而且當頻率只要超過幾兆赫時主要起電感的作用。
對於高頻去耦更合適的選擇應該是單片陶瓷電容器，因為它們具有很低的等效串聯電感。單片陶瓷電容器是由多層夾層金屬薄膜和陶瓷薄膜構成的，而且這些多層薄膜是按照母線平行方式排布的，而不是按照序列方式卷繞的。
單片陶瓷電容的不足之處是具有顫噪聲(即對振動敏感)，所以有些單片陶瓷電容器可能會出現自共振，具有很高的q值，因為串聯電阻值及與其在一起的電感值都很低。另外，圓片陶瓷電容器，雖然**不太貴，但有時電感很大。
問：在電容器選擇表中，我看到「損耗因數」這個術語。請問它 的含義是什麼?
答：好。因為電容器的洩漏電阻、等效串聯電阻和等效串聯電感，這三項指標幾乎總是很難分開，所以許多電容器製造廠家將它們合併成一項指標，稱作損耗因數(disspat ion factor)，或df，主要用來描述電容器的無效程度。
損耗因數定義為電容器每週期損耗能量與儲存能量之比。實際上，損耗因數等於介質的功率因數或相角的餘弦值。如果電容器在關心頻帶範圍的高頻損耗可以簡化成串聯電阻模型，那麼等效串聯電阻與總容抗之比是對損耗因數的一種很好的估算，即df≈ωr esr c還可以證明，損耗因數等於電容器品質因數或q值的倒數，在電容器製造廠家的產品說明中 有時也給出這項指標。
介質吸收，r da ，c da ：單片陶瓷電容器非常適用於高頻去耦， 但是考慮介質吸收問題，這種電容器不適用於取樣保持放大器中的保持電容器。介質吸收是一種有滯後性質的內部電荷分佈，它使快速放電然後開路的電容器恢復一部分電荷，見圖 14.
4。因為恢復電荷的數量是原來電荷的函式 ，實際上這是一種電荷記憶效應。如果把這種電容器用作取樣保持放大器中的保
圖14.4 介質吸收作用使電容器快速放電 然後開路以恢復原來一部分電荷
持電容器，那麼勢必對測量結果產生誤差。對於這種型別應用推薦的電容器，正如前面介紹的還是聚脂型電容器，即聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器和聚四氟乙烯電容器。這類電容器介質吸收率很低(典型值＜0.
01%)。 常見電容器特性比較見表14.1。
關於高頻去耦的一般說明：
保證對類比電路在高頻和低頻去耦都合適的最好方法是用電解電容器，例如一個鉭片電容與一個單片陶瓷電容器相併聯。這樣兩種電容器相併聯不但在低頻去耦效能很好，而且在頻率很高的情況下仍保持優良的效能。除了關鍵積體電路以外，一般不必每個積體電路都接一個鉭電容器。
如果每個積體電路和鉭電容器之間相當寬的印製線路板導電條長度小於10cm，可在幾個積體電路之間共用一個鉭電容器。
關於高頻去耦另一個需要說明的問題是電容器的實際物理分佈。甚至很短的引線都有不可忽視的電感，所以安裝高頻去耦電容器應當儘量靠近積體電路，並且做到引腳短，印製線路板導電條寬。
為了消除引腳電感，理想的高頻去耦電容器應該使用表面安裝元件。只要電容器的引腳長度 不超過1.5mm，還是選擇末端引線電容器(wire�ended capacitors)。
電容器的正確使用方 法如圖14.5所示。
(a) 正確方法 (b) 錯誤方法
•使用低電感電容器(單片陶瓷電容器)
•安裝電容器靠近積體電路
•使用表面安裝電容器
•短引腳、寬導電條
圖14�5 電容器的正確使用 雜散電容
前面我們已經討論了電容器像元件一樣的寄生作用，
表14�1 各種電容器件效能比較表
型別典型介質吸收優點、缺點
npo陶瓷電容器
吸收＜0.1%
外型尺寸小、**便宜、穩定性好、電容值範圍寬、 銷售商多、電感低
通常很低，但又無法限制到很小的數值(10nf)
聚苯乙烯電容器 0�001%～0 �02%
**便宜、da很低、電容值範圍寬、穩定性好
溫度高於85°c，電容器受到損害、外形尺寸大、電感高
聚丙烯電容器 0.001%～0.0 2%
**便宜、da很低、電容值範圍寬
溫度高於+105°c，電容器受到損害、外形尺寸大、電感
聚四氟乙烯電容器 0.003%～ 0.02%
da很低、穩定性好、可在+125°c以上溫度工作、電容值範圍寬
**相當貴、外形尺寸大、電感高
mos電容器 0.01%
da效能好，尺寸小，可在+25°c以上溫度工作，電感低
限制**、只提供小電容值
聚碳酸酯電容器 0.1%
穩定性好、**低、溫度範圍寬
外形尺寸大、da限制到8位應用、電感高
聚酯電容器 0.3%～0.5%
穩定性中等、**低、溫度範圍寬、電感低
外形尺寸大、da限制到8位應用、電感高
單片陶瓷電容器(高k值)＞0.2%
電感低、電容值範圍寬
穩定性差、da效能差、電壓係數高
雲母電容器 ＞0.003%
高頻損耗低、電感低、穩定性好、效率優於1%
外形尺寸很大、電容值低(＜10nf)、**貴
鋁電解電容器 很高
電容值高、電流大、電壓高、尺寸小
洩漏大、通常有極性、穩定性差、精度低、電感性
鉭電解電容器 很高
尺寸小、電容值大、電感適中
洩漏很大、通常有極性、**貴、穩定性差、精度差
下面讓我們討論一下稱作「雜散」電容(stray capacitance)的另一種寄生作用。
問：什麼是雜散電容?
答：像平行板電容器一樣，(見圖14�6)不論什麼時候，當兩個導體彼此非常靠 近 (尤其是當兩個導體保持平行時)，便產生雜散電容。它不能不斷地減小，也不能像法拉第遮蔽一樣用導體進行遮蔽。
c=0.0085×er×a×d
其中：c=電容，單位pf
er =空氣介電常數
a=平行導體面積，單位mm 2
d=平行導體間的距離，單位mm
圖14�6 平行板電容器模型
雜散電容或寄生電容一般出現在印製線路板上的平行導電條之間或印製線路板的相對 面上的導電條導電平面之間，見圖14.7。雜散電容的存在和作用，尤其是在頻率很高時，在電路設計中常常被忽視，所以在製造和安裝系統線路板時會產生嚴重的效能問題，例如，噪聲變大，頻率響應降低，甚至使系統不穩定。
通過例項說明如何用上述電容公式計算印製線路板相對面上的導電條產生的雜散電容 。對於普通的印製線路板材料，er =4.7,d=1.5mm，則其單位面積雜
散電容為3pf/cm2 。在250mhz頻率條件下，3pf電容對應的電抗為212.2ω。
問：請問如何消除雜散電容?
答：實際上從來不能消除雜散電容。最好的辦法只能設法將雜散電容對電路的影響減到最小。
問：那麼應該如何減小雜散電容呢?
答：減小雜散電容耦合影響的一種方法是使用法拉第遮蔽(faraday shield)，它是在耦合源與受影響電路之間的一種簡捷接地導體。
問：雜散電容是如何起作用的?
答：讓我們看一下圖14.8。
圖中示出了高頻噪聲源v n 如何通過雜散電容c 耦合到系統阻抗z的等效電容。如果我們幾乎或不能控制v n ，或不能改變電路阻抗z 1 的位置，那麼最好的解決方法是插入一個法拉第遮蔽。 圖14.
9示出了法拉第遮蔽中斷耦合電場的情況。
圖14�8 通過雜散電容耦合的電壓噪聲
(a) 電容遮蔽中斷耦合電場
(b) 電容遮蔽使噪聲電流返回到噪聲源，而不通過阻抗z 1
圖14�9 法拉第電容遮蔽
請注意法拉第遮蔽使噪聲和耦合電流直接返回到噪聲源，而不再通過阻抗z1 。
電容耦合的另一個例子是側面鍍銅陶瓷積體電路外殼。這種dip封裝，在陶瓷封裝的頂上有 一小塊方形的導電可伐合金蓋，這塊可伐合金蓋又被焊接到一個金屬圈(metallized rim)上 (見圖14�10)。生產廠家只能提供兩種封裝選擇：
一種是將金屬圈連線到器件封裝角上的一個引腳上；另一種是保留金屬圈不連線。大部分邏輯電路在器件封裝的某一角上有一個接地引腳 ，所以這種器件的可伐合金蓋接地。但是許多類比電路在器件封裝的四個角上沒有一個接地引腳，所以這 •側面鍍銅陶瓷dip封裝，有時有隔離的可伐合金蓋•該封裝器件受容性干擾易受損壞，所以應儘可能接地
圖14.10 由可伐合金蓋引起的電容效應
這種可伐合金蓋被懸浮。可以證明，如果這種陶瓷dip封裝器件的晶片不被遮蔽，那麼它要比塑料dip封裝的同樣晶片更容易受到電場噪聲的損壞。
不論環境噪聲電平有多麼大，使用者最好的辦法是將任何側面鍍銅陶瓷封裝積體電路凡是生產廠家沒有接地的可伐合金蓋接地。為了接地可將引線焊接到可伐合金蓋上(這樣做不會損壞晶片，因為晶片與可伐合金蓋之間有熱和電氣隔離)。如果無法焊接到可伐合金蓋上，可使用接地的磷青銅片做接地連線，或使用導電塗料將可伐合金蓋與接地引腳連線。
絕對不允許將沒有經過檢查的實際上不允許和地連線的可伐合金蓋接地。有的器件應將可伐合金蓋接到電源端而不是接到地，就屬於這種情況。在積體電路晶片的接合線(bond wires)之間不能採用法拉第遮蔽，主要原因是在晶片的兩條接合線與其相聯的引線框架之間的雜散電容大約為0.
2pf(見圖14.11)，觀測值一般在0.05pf至0.
6pf之間。
圖14.11 晶片接合線之間的雜散電容 考慮高解析度資料轉換器(adc或dac)，它們都與高速資料匯流排連線。資料匯流排上的每條線( 大約都以2至5v/ns的速率傳送噪聲)通過上述雜散電容影響adc或dac的模擬埠(見圖14�12 )。
由此引起的數字邊緣耦合勢必降低轉換器的效能。
圖14�12 高速資料匯流排上的數字噪 聲通過雜散電容進入資料轉換器的模擬埠
為了避免這個問題，不要將資料匯流排與資料轉換器直接相連，而應使用一個 鎖存緩衝器作為介面 。這種鎖存緩衝器在快速資料匯流排與高效能資料轉換器之間起到一個法拉第遮蔽作 用。雖然這種方法增加了附加的器件，增加了器件的佔居面積，增加了功耗，稍降低了可靠性及稍提高了設計複雜程度，但它可以明顯地改善轉換器的訊雜比。
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