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1、创作时间：二零二一年六月三十日电容器阻抗/ESR频率特性是指什么？之马矢奏春创作创作时间：二零二一年六月三十日本专栏为解说电容器基础的技术专栏.现就电容器的阻抗年夜小|Z|和等价串连电阻(ESR)的频率特性进 行论述.通过了解电容器的频率特性，可对诸如电源线消除噪音能力和抑 制电压摆荡能力进行判断，可以说是设计回路时不成或缺的重要参 数.此处对频率特性中的阻抗年夜小|Z|和ESR进行说明.1. 电容器的频率特性如假设角频率为3,电容器的静电容量为C,则理想状态下电容 器(图1)的阻抗Z可用公式(1)暗示.图1.理想电容器Z=公式加c由公式(1)可看出，阻抗年夜小|Z|如图2所示，与频率呈反比趋
2、 势減少.由于理想电容器中无损耗，故等价串连电阻(ESR)为零.|Z|=J/wCJ1J1111i11I Illi1 1 1 1 1 1 1频率日打但实际电容器(图3)中除有容量成份C外,还有因电介质或电极 损耗发生的电阻(ESR)及电极或导线发生的寄生电感(ESL).因 此，|Z丨的频率特性如图4所示呈V字型(部份电容器可能会酿成 U字型)曲线,ESR也显示出与损耗值相应的频率特性.图3.实际电容器:介质损耗自振頻率客性领域感性顿域lzl电极损耗QU图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性（例）|Z|和ESR酿成图4曲线的原因如下.低频率范围：低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈 反
3、比趋势减少.ESR值也显示出与电介质分极延迟发生的介质损耗 相应的特性.共振点附近：频率升高，则|z|将受寄生电感或电极的比电阻等 发生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示最小值.|Z| 为最小值时的频率称为自振频率，此时| Z|=ESR.若年夜于自振频率, 则元件特性由电容器转酿成电感，|Z|转而增加.低于自振频率的范 围称作容性领域，反之则称作感性领域.ESR除受介电损耗的影响，还受电极自身抵当行程的损耗影响.高频范围：共振点以上的高频率范围中的Z的特性由寄生电感(L)决定.高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势 增加.ESR逐渐暗示出电极趋肤效应及接近效应的影
4、响.江空式2 以上为实际电容器的频率特性.重要的是， 频率越高，就越不能忽视寄生成份ESR或ESL的影响.随着电容器 在高频领域的应用越来越多,ESR和ESL与静电容量值一样，成为 暗示电容器性能的重要参数.2. 各种电容器的频率特性 以上就电容器寄生成份ESR、ESL对频 率特性的巨年夜影响进行了说明.电容器种类分歧,则寄生成份也 会有所分歧.接下来对分歧种类电容器频率特性的区别进行说明.图5暗示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性.除薄 膜电容器以外，全是SMD型电容器.图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性图5所示电容器的静电容量值均为10uF,因此频率缺乏1kHz的
5、容量范围|Z|均为同等值.但1kHz以上时，铝电解电容器或钽电解 电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器年夜,这是因为铝电 解电容器或钽电解电容器的电解质资料的比电阻升高，招致ESR增 年夜.薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属资料，因 此ESR很低.多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基秘 闻同，但多层陶瓷电容器的自振频率高，感应范围的|Z|则较低.这 是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部份的电感增年夜了.由以上结果可以得出,SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范 围内阻抗都很低,也最适于高频用途.3. 多层陶瓷电容器的频率特性多层陶瓷电容器可按原资料及形 状分为很
6、多种类.下面就这些因素对频率特性的影响进行说明.（1）关于ESR处于容性领域的ESR由电介质资料发生的介质损耗 决定.Class2（种类2）中的高介质率资料因使用强电介质，故有ESR 增年夜的倾向.Class 1 （种类1）的温度赔偿资料因使用一般电介 质，因此介质损耗非常小,ESR数值也很小.共振点附近到感性领 域的高频领域中的ESR除受电极资料的比电阻率、电极形状（厚 度、长度、宽度）、叠层数影响外,还受趋肤效应或接近效应的影 响.电极资料多使用Ni,但低损耗型电容器中，有时也会选用比电 阻率低的Cu作为电极资料.（2）关于ESL多层陶瓷电容器的 ESL极易受内部电极结构影响.设内部电极年
7、夜小的长度为1、宽 度为w、厚为d时，根据F.W.Grover,电极电感ESL可用公式（3）暗 示.由此公式可得知，电容器的电极越短，越宽，越厚，则ESL越小.图6暗示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系. 相同容量，尺寸越小，自振频率越高，则ESL越小.由此,可以说长度 1较短的小型电容器适用于高频领域.图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系图7为长度l缩短，宽度w增年夜的LW逆转型电容器.由图8的 频率特性可知，即使容量相同,LW逆转型电容器的阻抗低于一般电 容器，特性优良.使用LW逆转型电容器，即使数量少于一般电容器, 也可获得同等性能，通过减少元件数量可以降低本钱，缩减实装面 积.图8.LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR4. 获得频率特性数据的方法频率特性数据可通过阻抗分析仪或矢量网络分析仪获取.最近， 也可在各元器件厂商的Web网站中确认.图9为本公司提供的设计辅助工具SimSurfing的图像.可通过 选取型号和希望确认的项目，显示特性.还可下载SPICE网络清单 或S2P数据作为模拟用数据.方便年夜家灵活运用到各种电子回路 设计中去.图9.设计辅助工具SimSurfing图例创作时间：二零二一年六月三十日
