电容器的寄生作用与杂散电容知识

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1、电容器的寄生作用与杂散电容电容器的寄生作用问：我想懂得如何为具体的应用选择合适的电容器，但我又不清晰许多不同种类 的电容器有哪些长处和缺陷?答：为具体的应用选择合适类型的电容器事实上并不困难。一般来说，按应用分 类，大多数电容器一般分为如下四种类型(见图14.1)：交流耦合，涉及旁路(通过交流信号，同步隔直流信号)去耦(滤掉交流信号或滤掉叠加在直流信号上的高频信号或滤掉电源、基准电源 和信号电路中的低频成分)有源或无源RC滤波或选频网络模拟积分器和采样保持电路(捕获和储存电荷)尽管流行的电容器有十几种，涉及聚脂电容器、薄膜电容器、陶瓷电容器、电解电容器，但 是对某一具体应用来说，最合适的电容器

2、一般只有一两种，由于其他类型的电容器，要么有 的性能明显不完善，要么有的对系统性能有“寄生作用”，因此不采用它们。问：你谈到的“寄生作用”是怎么回事?答：与“抱负”电容器不同，“实际”电容器用附加的“寄生”元件或“非抱负 ”性能来表征，其体现形式为电阻元件和电感元件，非线性和介电存储性能。“实际”电容 器模 型如图14.2所示。由于这些寄生元件决定的电容器的特性，一般在电容器生产厂家的产品说 明中均有具体阐明。在每项应用中理解这些寄生作用，将有助于你选择合适类型的电容器。问：那么表征非抱负电容器性能的最重要的参数有哪些?答：最重要的参数有四种：电容器泄漏电阻RL(等效并联电阻EPR)、等效串联

3、电 阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和介电存储(吸取)。电容器泄漏电阻，RP：在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采 样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时，RP是一项重要参数，电容器的泄漏模型如图1 4.3所示。然而实际电容器中的RP使电荷以RC时间常 数决定的速率缓慢泄漏。电解电容器(钽电容器和铝电容器)的容量很大，由于其隔离电阻低，因此漏电流非常大 (典型值520nA/F)，因此它不合用于存储和耦合。最合用于交流耦合及电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其他聚脂型(聚丙烯、聚 苯乙烯等)电容器。等效串联电阻(ESR)，R ESR ：电容器的等效串联 电阻是由电容器的引脚电阻与电

4、容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流 通过电容器，R ESR 使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电 流的电源去耦电容器会导致严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有很大的影响 。R ESR 最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。等效串联电感(ESL)，L ESL ：电容器的等效串联电 感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像R ESR 同样，L ESL 在射频或高频工作环境下也会浮现严重问题，虽然精密电路自身在直流或低频条 件下正常工作。其因素是用子精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(transition freque ncie

5、 s)扩展到几百兆赫或几吉赫的状况下，仍具有增益，可以放大电感值很低的谐振信号。 这就是在高频状况下对这种电路的电源端要进行合适去耦的重要因素。电解电容器、纸介电容器和塑料薄膜电容器不合用于高频去耦。这些电容器基本上是由多 层塑料或纸介质把两张金属箔隔开然后卷成一种卷筒制成的。这种构造的电容具有相称大的 自 感，并且当频率只要超过几兆赫时重要起电感的作用。对于高频去耦更合适的选择应当是单 片陶瓷电容器，由于它们具有很低的等效串联电感。单片陶瓷电容器是由多层夹层金属 薄膜 和陶瓷薄膜构成的，并且这些多层薄膜是按照母线平行方式排布的，而不是按照串行方式卷 绕的。单片陶瓷电容的局限性之处是具有颤噪声

6、(即对振动敏感)，因此有些单片陶瓷电容器也许会出 现自共振，具有很高的Q值，由于串联电阻值及与其在一起的电感值都很低。此外，圆片陶 瓷电容器，虽然价格不太贵，但有时电感很大。问：在电容器选择表中，我看到“损耗因数”这个术语。请问它 的含义是什么?答：好。由于电容器的泄漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感，这三项指标几 乎总是很难分开，因此许多电容器制造厂家将它们合并成一项指标，称作损耗因数(disspat ion factor)，或DF，重要用来描述电容器的无效限度。损耗因数定义为电容器每周期损耗 能量与储存能量之比。事实上，损耗因数等于介质的功率因数或相角的余弦值。如果电容 器在关怀频带范畴的

7、高频损耗可以简化成串联电阻模型，那么等效串联电阻与总容抗之比是 对损耗因数的一种较好的估算，即DFR ESR C还可以证明，损耗因数等于电容器品质因数或Q值的倒数，在电容器制造厂家的产品阐明中 有时也给出这项指标。介质吸取，R DA ，C DA ：单 片陶瓷电容器非常合用于高频去耦， 但是考虑介质吸取问题，这种电容器不合用于采样保持放大器中的保持电容器。介质吸取是 一种有滞后性质的内部电荷分布，它使迅速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷，见图 14. 4。由于恢复电荷的数量是本来电荷的函数 ，事实上这是一种电荷记忆效应。如果把这种电容器用作采样保持放大器中的保图14?4 介质吸取作用使电容器迅

8、速放电 然后开路以恢复本来一部分电荷持电容器，那么势必对测量成果产生误 差。对于这种类型应用推荐的电容器，正如前面简介的还是聚脂型电容器，即聚苯乙烯 电容 器、聚丙烯电容器和聚四氟乙烯电容器。此类电容器介质吸取率很低(典型值0?01%)。 常用电容器特性比较见表14?1。有关高频去耦的一般阐明：保证对模拟电路在高频和低频去耦都合适的最佳措施是用电解电容器，例如一种钽片电容与 一种单片陶瓷电容器相并联。这样两种电容器相并联不仅在低频去耦性能较好，并且在频率 很高的状况下仍保持优良的性能。除了核心集成电路以外，一般不必每个集成电路都接一种 钽电容器。如果每个集成电路和钽电容器之间相称宽的印制线路板

9、导电条长度不不小于10cm，可 在几种集成电路之间共用一种钽电容器。有关高频去耦另一种需要阐明的问题是电容器的实际物理分布。甚至很短的引线均有不可忽 视的电感，因此安装高频去耦电容器应当尽量接近集成电路，并且做到引脚短，印制线路板 导电条宽。为了消除引脚电感，抱负的高频去耦电容器应当使用表面安装元件。只要电容器的引脚长度 不超过1?5mm，还是选择末端引线电容器(wire?ended capacitors)。电容器的对的使用方 法如图14?5所示。(a) 对的措施 (b) 错误措施使用低电感电容器(单片陶瓷电容器)安装电容器接近集成电路使用表面安装电容器短引脚、宽导电条图14.5 电容器的对的

10、使用 杂散电容 前面我们已经讨论了电容器像元件同样的寄生作表141 多种电容器件性能比较表类型典型介质吸取优 点缺 点NPO陶瓷电容器吸取0?1%外型尺寸小、价格便宜、稳定性好、电容值范畴宽、 销售商多、电感低一般很低，但又无法限制到很小的数值(10nF)聚苯乙烯电容器 0?001%0 ?02%价格便宜、DA很低、电容值范畴宽、稳定性好温度高于85C，电容器受到损害、外形尺寸大、电感高聚丙烯电容器 0?001%0?0 2%价格便宜、DA很低、电容值范畴宽温度高于+105C，电容器受到损害、外形尺寸大、电感聚四氟乙烯电容器 0?003% 0?02%DA很低、稳定性好、可在+125C以上温度工作、

11、电容值范畴宽价格相称贵、外形尺寸大、电感高MOS电容器 0?01%DA性能好，尺寸小，可在+25C以上温度工作，电感低限制供应、只提供小电容值聚碳酸酯电容器 0?1%稳定性好、价格低、温度范畴宽外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感高聚酯电容器 0?3%0?5%稳定性中档、价格低、温度范畴宽、电感低外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感高单片陶瓷电容器(高k值)0?2%电感低、电容值范畴宽稳定性差、DA性能差、电压系数高云母电容器 0?003%高频损耗低、电感低、稳定性好、效率优于1%外形尺寸很大、电容值低(10nF)、价格贵铝电解电容器 很高电容值高、电流大、电压高、尺寸小泄漏大、一般有极性、稳

12、定性差、精度低、电感性钽电解电容器 很高尺寸小、电容值大、电感适中泄漏很大、一般有极性、价格贵、稳定性差、精度差用，下面让我们讨论一下称作“杂散”电容(stray capacitance)的另一种寄生作用。问：什么是杂散电容?答：像平行板电容器同样，(见图14?6)不管什么时候，当两个导体彼此非常靠 近 (特别是当两个导体保持平行时)，便产生杂散电容。它不能不断地减小，也不能像法拉弟屏 蔽同样用导体进行屏蔽。C=0.0085E R Ad其中：C=电容，单位pFE R =空气介电常数A=平行导体面积，单位mm 2d=平行导体间的距离，单位mm图14?6 平行板电容器模型杂散电容或寄生电容一般出目

13、前印制线路板上的平行导电条之间或印制线路板的相对 面上的导电条或导电平面之间，见图14?7。杂散电容的存在和作用，特别是在频率很高 时，在电路设计中常常被忽视，因此在制造和安装系统线路板时会产生严重的性能问 题，例如，噪声变大，频率响应减少，甚至使系统不稳定。通过实例阐明如何用上述电容公式计算印制线路板相对面上的导电条产生的杂散电容 。对于一般的印制线路板材料，E R =4?7,d=1?5mm，则其单位面积杂散电容为3pF/cm 2 。在250MHz频率条件下，3pF电容相应 的电抗为212?2。问：请问如何消除杂散电容?答：事实上历来不能消除杂散电容。最佳的措施只能设法将杂散电容对电路的影

14、响减到最小。问：那么应当如何减小杂散电容呢?答：减小杂散电容耦合影响的一种措施是使用法拉弟屏蔽(Faraday shield)，它 是在耦合源与受影响电路之间的一种简捷接地导体。问：杂散电容是如何起作用的?答：让我们看一下图14?8。图中境隽烁咂翟肷?碫 N 如何通过杂散电容C 耦合到系统阻抗Z的等效电容。如果我们几乎或不能控制V N ，或不能变化电路阻抗Z 1 的位置，那么最佳的解决措施是插入一种法拉弟屏蔽。 图14?9示出了法拉弟屏蔽中断耦合电场的状况。(a) 电容屏蔽中断耦合电场(b) 电容屏蔽使噪声电流返回到噪声源，而不通过阻抗Z 1请注意法拉弟屏蔽使噪声和耦合电流直接返回到噪声源，而

15、不再通过阻抗 1 。电容耦合的另一种例子是侧面镀铜陶瓷集成电路外壳。这种DIP封装，在陶瓷封装的顶上有 一小块方形的导电可伐合金盖，这块可伐合金盖又被焊接到一种金属圈(metallized rim)上 (见图14?10)。生产厂家只能提供两种封装选择：一种是将金属圈连接到器件封装角上的一 个引 脚上；另一种是保存金属圈不连接。大部分逻辑电路在器件封装的某一角上有一种接地引脚 ，因此这种器件的可伐合金盖接地。但是许多模拟电路在器件封装的四个角上没 有一种接地引脚，因此这 侧面镀铜陶瓷DIP封装，有时有隔离的可伐合金 盖该封装器件受容性干扰易受损坏，因此应尽量接地图14?10 由可伐合金盖引起的电

16、容效应 种可伐合金盖被悬浮。可以证明，如果这种陶瓷DIP封装器件的芯片不 被屏蔽，那么它要比塑料DIP封装的同样芯片更容易受到电场噪声的损坏。不管环境噪声电平有多么大，顾客最佳的措施是将任何侧面镀铜陶瓷封装集成电路但凡生产 厂家没有接地的可伐合金盖接地。为了接地可将引线焊接到可伐合金盖上(这样做不会损坏 芯片，由于芯片与可伐合金盖之间热和电气隔离)。如果无法焊接到可伐合金盖上，可使用 接地的磷青铜片做接地连接，或使用导电涂料将可伐合金盖与接地引脚连接。绝对不容许将 没有通过检查的事实上不容许和地连接的可伐合金盖接地。有的器件应将可伐合金盖接到电 源端而不是接到地，就属于这种状况。在集成电路芯片的接合线(bond wires)之间不能采用法拉弟屏蔽，