电容的分析

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1、电容,一、电容概述 二、电容分类 三、陶瓷电容,3.1 常用功能 3.2 电容的频率特性 3.3 陶瓷电容的分类 3.4 温度特性 3.5 ESR/阻抗频率特性 3.6 电容量频率特性 3.7 第一、二类选用总结,四、电路分析,附录 电容器主要特性参数,4.1在单向桥式电容滤波整流电路 4.2 滤波应用电路 4.3 RC滤波 4.4 耦合应用电路,4.5 解决电源纹波的电容计算,一、电容概述,电容器，通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。 定义：电容器，顾名思义，是装电的容器，是一种容纳电荷的器件。英文名称：capacitor。电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中

2、的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路， 能量转换，控制等方面。,第一章 电容概述,按制造材料的不同可以分为：瓷介电容、薄膜电容、电解电容、钽电容等。,二、电容分类,1）、铝电解电容 电容容量范围为0.1F 22000F，高脉动电流、长寿命、大容量的不二之选，广泛应用于电源滤波、解藕等场合。 2）、薄膜电容 电容容量范围为0.1pF 10F，具有较小公差、较高容量稳定性及极低的压电效应，因此是X、Y 安全电容、EMI/EMC 的首选。 3）、钽电容 电容容量范围为2.2F 560F，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联电感（ESL）。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容，是高稳定电源的

3、理想选择。 4）、陶瓷电容 电容容量范围为0.5pF 100F，独特的材料和薄膜技术的结晶，原材料丰富，结构简单，价格低廉，损耗较小，电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。迎合了当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。,第二章 电容分类,三、陶瓷电容,陶瓷电容常用于旁路，去耦，滤波、耦合等作用。,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。,2）去耦（退耦） 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

4、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。,3.1 常用功能,第三章 陶瓷电容,第一节 常用功能,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， 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。 防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。如下图：,旁路和去耦区别：,第一节 常用功能,第三章 陶瓷电容,3）滤波,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。 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

5、就是通高频阻低频。如下公式一，可以看出，当容值C变大时，通过的频率就越低。在作为滤波电容时，电容一端接地时，即可滤除相应的频率。,公式一： f=1/ （2 C*Xc）,公式二：,C=1/F,不过，由于电容的工艺，精度以及不稳定，可以用公式二，来粗略计算。,第一节 常用功能,第三章 陶瓷电容,4）耦合 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。如收音机中的放大电路，两个三极管放大电路之间（前级的集电极与后极的基极之间）串一个电容，这个电容称耦合电容。起两个作用，一是交流信号的通路；二是隔绝直流防止直流信号干扰下级放大电路。,3.2 电容的频率特性,第二节 电容的频率特

6、性,当频率很高时，电容不再被当做集总参数看待，寄生参数的影响不可忽略。寄生参数包括Rs等效串联电阻（ESR）和Ls等效串联电感（ESL）。电容器实际等效电路如图1所示，其中C为静电容，Rp为泄漏电阻，也称为绝缘电阻，值越大（通常在G级以上），漏电越小，性能也就越可靠。但在实际应用中可以忽略。Cda和Rda分别为介质吸收电容和介质吸收电阻。介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电后处于开路状态的电容器恢复一部分电荷。 ESR和ESL对电容的高频特性影响最大，所以常用如图1（b）所示的串联RLC简化模型，可以计算出谐振频率和等效阻抗：,图1 电容器,（a） 电容器的实际等效电路,（b）

7、电容的简化模型,式3-2-1,式3-2-2,第三章 陶瓷电容,电容器串联RLC模型的频域阻抗图如图2所示，电容器在谐振频率以下表现为容性；在谐振频率以上时表现为感性，此时的电容器的去耦作用逐渐减弱。同时还发现，电容器的等效阻抗随着频率的增大先减小后增大，等效阻抗最小值为发生在串联谐振频率处的ESR。,图2 电容器串联RLC模型的频域阻抗图,第二节 电容的频率特性,第三章 陶瓷电容,由谐振频率式（式3-2-1）可得出，容值大小和ESL值的变化都会影响电容器的谐振频率，如图3所示。由于电容在谐振点的阻抗最低，所以设计时尽量选用fR和实际工作频率相近的电容。在工作频率变化范围很大的环境中，可以同时考

8、虑一些fR较小的大电容与fR较大的小电容混合使用。,图3 容值和ESL的变化对电容器频率特性的影响,第二节 电容的频率特性,第三章 陶瓷电容,陶瓷电容器从介质类型主要可以分为两类，即类陶瓷电容器和类陶瓷电容器。 类陶瓷电容器（Class ceramic capacitor），过去称高频陶瓷电容器（High-freqency ceramic capacitor），是指用介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制造的电容器。它特别适用于谐振回路，以及其它要求损耗小和电容量稳定的电路，或用于温度补偿。 类陶瓷电容器（Class ceramic capacitor）过去称为为低频陶瓷

9、电容器（Low frequency cermic capacitor），指用铁电陶瓷作介质的电容器，因此也称铁电陶瓷电容器。这类电容器的比电容大，电容量随温度呈非线性变化，损耗较大，常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。,3.3 陶瓷电容的分类,第三节 陶瓷电容的分类,第三章 陶瓷电容,3.3.1 类陶瓷电容器,按美国电工协会（EIA）标准为C0G或NP0以及我国标准的CC系列等型号的陶瓷介质（温度系数为030PPM/），这种介质极其稳定，温度系数极低，而且不会出现老化现象，损耗因数不受电压、频率、温度和时间的影响，介电系数可以达到400，介电强度相对高。

10、这种介质非常适用于高频（特别是工业高频感应加热的高频功率振荡、高频无线发射等应用的高频功率电容器）、超高频和对电容量、稳定性有严格要求定时、振荡电路的工作环境，这种介质电容器唯一的缺点是电容量不能做得很大（由于介电系数相对小），通常1206 表面贴装C0G介质电容器的电容量从0.5PF0.01F。,第三节 陶瓷电容的分类,3.2.1 I类陶瓷电容器,第三章 陶瓷电容,3.3.2 类陶瓷电容器,类的稳定级陶瓷介质材料如美国电工协会（EIA）标准的X7R、X5R以及我国标准的CT系列等型号的陶瓷介质（温度系数为15.0%），这种介质的介电系数随温度变化较大，不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场

11、合，但由于其介电系数可以做得很大（可以达到1200），因而电容量可以做得比较大，适用于对工作环境温度要求较高（X7R：-55+125）的耦合、旁路和滤波。通常1206的SMD封装的电容量可以达到10F或在再高一些；,II类的可用级陶瓷介质材料如美国电工协会（EIA）标准的Z5U、Y5V以及我国标准的CT系列的低档产品型号等陶瓷介质（温度系数为Z5U的+22%，-56%和Y5V的+22%，-82%），这种介质的介电系数随温度变化较大，不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合，但由于其介电系数可以做得很大（可以达到100012000），因而电容量可以做得比更大，适用于一般工作环境温度要求（-25

12、+85）的耦合、旁路和滤波。通常1206表面贴装Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100F，在某种意义上是取代钽电解电容器的有力竞争对手。,3.2.2 II类陶瓷电容器,第三节 陶瓷电容的分类,第三章 陶瓷电容,3.4 陶瓷电容器的温度特性,应用陶瓷电容器首先要注意的就是其温度特性；不同材料的陶瓷介质，其温度特性有极大的差异。,第四节 陶瓷电容的温度特性,第三章 陶瓷电容,3.4.1 第一类陶瓷介质电容器的温度性质,根据美国标准EIA-198-D，在用字母或数字表示陶瓷电容器的温度性质有三部分：第一部分为（例如字母C）温度系数的有效数字；第二位部分有效数字的倍乘（如0即为100）；第三部分

13、为随温度变化的容差（以ppm/表示）。这三部分的字母与数字所表达的意义如表。,3.4.1 第一类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,例如， C0G（有时也称为NP0）表示为：第一位字母C为温度系数的有效数字为0，第二位数字0为有效温度系数的倍乘为-1，第三位字母G为随温度变化的容差为30ppm/，即030ppm/； C0H分别表示为：第一位字母C为温度系数的有效数字为0，第二位数字0为有效温度系数的倍乘为-1，第三位字母H为随温度变化的容差为60ppm/，即060ppm/； S2H则分别表示为：第一位字母S为温度系数的有效数字为3.3，第二位数字2为有效温度

14、系数的倍乘为-100，第三位字母H为随温度变化的容差为60ppm/，即33060ppm/。,第一类陶瓷电容器的电容量几乎不随温度变化，下面以C0G介质为例。C0G介质的变化量仅030ppm/，实际上C0G的电容量随温度变化小于030ppm/，大约为030ppm/的一半。,3.4.1 第一类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,图4 电容量的变化与温度的关系,图5 损耗因数的变化与温度的关系,3.4.1 第一类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,图6 绝缘电阻与温度变化的关系,3.4.1 第一类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章

15、 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,3.4.2 第二类陶瓷介质电容器的温度性质,根据美国标准EIA-198-D，在用字母或数字表示陶瓷电容器的温度性质有三部分：第一部分为（例如字母X）最低工作温度；第二位部分有效数字为最高工作温度；第三部分为随温度变化的容差（以ppm/表示）。这三部分的字母与数字所表达的意义如表 。,3.4.2 第二类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,常见的类陶瓷电容器有： X7R、 X5R 、 Y5V、Z5U 其中： X7R表示为：第一位X为最低工作温度-55，第二位的数字7位最高工作温度+125，第三位字母R为随温度变化的容值偏差

16、15%； X5R表示为：第一位X为最低工作温度-55，第二位的数字5位最高工作温度+85，第三位字母R为随温度变化的容值偏差15%； Y5V表示为：第一位Y为最低工作温度-30，第二位的数字5位最高工作温度+85，第三位字母V为随温度变化的容值偏差+22%，82%15%。 Z5U表示为：第一位Z为最低工作温度+10，第二位的数字5位最高工作温度+85，第三位字母U为随温度变化的容值偏差+22%，-56%，,3.4.2 第二类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,陶瓷电容器的绝缘电阻与温度的关系,图7 X7R绝缘电阻与温度变化的关系,图8 Y5V绝缘电阻与温度变化的关系,3.4.2 第二类陶瓷介质电容器的温度性质,第三章 陶瓷电容,第四节 陶瓷电容的温度特性,图9 温度范围和容值随温度的变化特性,第三章 陶瓷电容,第四节