电容器相关知识要点.pdf

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1、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） 2007-07-28 11:10 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

2、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Zi*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

3、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

4、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0.1 F。这个电容的分布电感的典型值是5H。0.1 F的去耦 电容有 5H

5、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。1F、10F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10F 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 0.1 F，100MHz取 0.01 F。 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，

6、 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

7、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

8、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

9、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=2 f 电容 : Z=R+jX=R+1/jwc=R+1/j2fc=R-j1/2fc 电感 : Z=R+jX=R+jwL=R+j2 fL 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0 ，则说明器件两端有感性，越接近90 ，感性越强，当=90时，为纯感性器 件。同样C2 ，R1R2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 = 1 ，C1 = 8.21uF，C2

10、 = 0.997uF，R1 = 774m ，R2 = 190m ，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

11、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(Agilent 4395A)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 f700kHz ， 由于 ESL 的作用， 增益上翘。 当满足条件R1 C1 = R2C2 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

12、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 = 1 、C1 = 10uF 、 C2 = 1uF 、C3=0.1uF 、R1 = 2 、 R2 = 100m 、R3=50m ，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

13、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 = R2C2 = R3C3 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 70

14、dB ，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

15、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

16、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0.9 U2，故脉动系数S0.67 。同理可求得半波整流输出电 压的脉动系数为S1.57，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

17、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， 型 LC 滤波和 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， uLuC。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t=0时接通电源，则当

18、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。

19、 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（ 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（ 35T（半波）GS0714 RLC（ 35）T2（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

20、 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 0.9 U2 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 （ 0.91.0）U2 （半波）GS0716 UL （ 1.11.2）U2 （全波）GS0717 电容滤波电路结构简单、使用方便、应用较广。 BACK