電容器的寄生作用與雜散電容

電容器的寄生作用與雜散電容

電容器的寄生作用

問(wèn)：我想知道如何為具體的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?
答：為具體的應(yīng)用選擇合適類型的電容器實(shí)際上并不困難。一般來(lái)說(shuō)，按應(yīng)用分 類，大多數(shù)電容器通常分為以下四種類型(見圖14.1)：

·交流耦合，包括旁路(通過(guò)交流信號(hào)，同時(shí)隔直流信號(hào))
·去耦(濾掉交流信號(hào)或?yàn)V掉疊加在直流信號(hào)上的高頻信號(hào)或?yàn)V掉電源、基準(zhǔn)電源 和信號(hào)電路中的低頻成分)
·有源或無(wú)源RC濾波或選頻網(wǎng)絡(luò)
·模擬積分器和采樣保持電路(捕獲和儲(chǔ)存電荷)
盡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(duì)某一具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最合適的電容器通常只有一兩種，因?yàn)槠渌愋偷碾娙萜鳎从?的性能明顯不完善，要么有的對(duì)系統(tǒng)性能有“寄生作用”，所以不采用它們。

問(wèn)：你談到的“寄生作用”是怎么回事?

答：與“理想”電容器不同，“實(shí)際”電容器用附加的“寄生”元件或“非理想 ”性能來(lái)表征，其表現(xiàn)形式為電阻元件和電感元件，非線性和介電存儲(chǔ)性能?！皩?shí)際”電容 器模 型如圖14.2所示。由于這些寄生元件決定的電容器的特性，通常在電容器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說(shuō) 明中都有詳細(xì)說(shuō)明。在每項(xiàng)應(yīng)用中了解這些寄生作用，將有助于你選擇合適類型的電容器。

圖14.2 “實(shí)際”電容器模型

問(wèn)：那么表征非理想電容器性能的最重要的參數(shù)有哪些?
答：最重要的參數(shù)有四種：電容器泄漏電阻RL(等效并聯(lián)電阻EPR)、等效串聯(lián)電 阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)和介電存儲(chǔ)(吸收)。
電容器泄漏電阻，RP：在交流耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)應(yīng)用(例如模擬積分器和采 樣保持器)以及當(dāng)電容器用于高阻抗電路時(shí)，RP是一項(xiàng)重要參數(shù)，電容器的泄漏模型如圖1 4.3所示。

圖14.3 電容器的泄漏模型
理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實(shí)際電容器中的RP使電荷以R?C時(shí)間常 數(shù)決定的速率緩慢泄漏。

電解電容器(鉭電容器和鋁電容器)的容量很大，由于其隔離電阻低，所以漏電流非常大 (典型值5～20nA/μF)，因此它不適合用于存儲(chǔ)和耦合。
最適合用于交流耦合及電荷存儲(chǔ)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(lián)電阻(ESR)，R ESR ：電容器的等效串聯(lián) 電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有大的交流電流 通過(guò)電容器，R ESR 使電容器消耗能量(從而產(chǎn)生損耗)。這對(duì)射頻電路和載有高波紋電 流的電源去耦電容器會(huì)造成嚴(yán)重后果。但對(duì)精密高阻抗、小信號(hào)模擬電路不會(huì)有很大的影響 。R ESR 最低的電容器是云母電容器和薄膜電容器。

等效串聯(lián)電感(ESL)，L ESL ：電容器的等效串聯(lián)電 感是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。像R ESR 一樣，L ESL 在射頻或高頻工作環(huán)境下也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，雖然精密電路本身在直流或低頻條 件下正常工作。其原因是用子精密模擬電路中的晶體管在過(guò)渡頻率(transition freque ncie s)擴(kuò)展到幾百兆赫或幾吉赫的情況下，仍具有增益，可以放大電感值很低的諧振信號(hào)。 這就是在高頻情況下對(duì)這種電路的電源端要進(jìn)行適當(dāng)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于高頻去耦。這些電容器基本上是由多 層塑料或紙介質(zhì)把兩張金屬箔隔開然后卷成一個(gè)卷筒制成的。這種結(jié)構(gòu)的電容具有相當(dāng)大的 自 感，而且當(dāng)頻率只要超過(guò)幾兆赫時(shí)主要起電感的作用。對(duì)于高頻去耦更合適的選擇應(yīng)該是單 片陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兙哂泻艿偷牡刃Т?lián)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(gòu)成的，而且這些多層薄膜是按照母線平行方式排布的，而不是按照串行方式卷 繞的。

單片陶瓷電容的不足之處是具有顫噪聲(即對(duì)振動(dòng)敏感)，所以有些單片陶瓷電容器可能會(huì)出 現(xiàn)自共振，具有很高的Q值，因?yàn)榇?lián)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，雖然價(jià)格不太貴，但有時(shí)電感很大。

問(wèn)：在電容器選擇表中，我看到“損耗因數(shù)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。請(qǐng)問(wèn)它 的含義是什么?

答：好。因?yàn)殡娙萜鞯男孤╇娮?、等效串?lián)電阻和等效串聯(lián)電感，這三項(xiàng)指標(biāo)幾 乎總是很難分開，所以許多電容器制造廠家將它們合并成一項(xiàng)指標(biāo)，稱作損耗因數(shù)(disspat ion factor)，或DF，主要用來(lái)描述電容器的無(wú)效程度。損耗因數(shù)定義為電容器每周期損耗 能量與儲(chǔ)存能量之比。實(shí)際上，損耗因數(shù)等于介質(zhì)的功率因數(shù)或相角的余弦值。如果電容 器在關(guān)心頻帶范圍的高頻損耗可以簡(jiǎn)化成串聯(lián)電阻模型，那么等效串聯(lián)電阻與總?cè)菘怪仁?對(duì)損耗因數(shù)的一種很好的估算，即DF≈ωR ESR C還可以證明，損耗因數(shù)等于電容器品質(zhì)因數(shù)或Q值的倒數(shù)，在電容器制造廠家的產(chǎn)品說(shuō)明中 有時(shí)也給出這項(xiàng)指標(biāo)。介質(zhì)吸收，R DA ，C DA ：?jiǎn)?片陶瓷電容器非常適用于高頻去耦， 但是考慮介質(zhì)吸收問(wèn)題，這種電容器不適用于采樣保持放大器中的保持電容器。介質(zhì)吸收是 一種有滯后性質(zhì)的內(nèi)部電荷分布，它使快速放電然后開路的電容器恢復(fù)一部分電荷，見圖 14?4。因?yàn)榛謴?fù)電荷的數(shù)量是原來(lái)電荷的函數(shù) ，實(shí)際上這是一種電荷記憶效應(yīng)。如果把這種電容器用作采樣保持放大器中的保

圖14?4 介質(zhì)吸收作用使電容器快速放電 然后開路以恢復(fù)原來(lái)一部分電荷

持電容器，那么勢(shì)必對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤 差。對(duì)于這種類型應(yīng)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(zhì)吸收率很低(典型值＜0?01%)。 常見電容器特性比較見表14?1。

關(guān)于高頻去耦的一般說(shuō)明：

保證對(duì)模擬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(gè)鉭片電容與 一個(gè)單片陶瓷電容器相并聯(lián)。這樣兩種電容器相并聯(lián)不但在低頻去耦性能很好，而且在頻率 很高的情況下仍保持優(yōu)良的性能。除了關(guān)鍵集成電路以外，一般不必每個(gè)集成電路都接一個(gè) 鉭電容器。如果每個(gè)集成電路和鉭電容器之間相當(dāng)寬的印制線路板導(dǎo)電條長(zhǎng)度小于10cm，可 在幾個(gè)集成電路之間共用一個(gè)鉭電容器。

關(guān)于高頻去耦另一個(gè)需要說(shuō)明的問(wèn)題是電容器的實(shí)際物理分布。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(yīng)當(dāng)盡量靠近集成電路，并且做到引腳短，印制線路板 導(dǎo)電條寬。

為了消除引腳電感，理想的高頻去耦電容器應(yīng)該使用表面安裝元件。只要電容器的引腳長(zhǎng)度 不超過(guò)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(cuò)誤方法
·使用低電感電容器(單片陶瓷電容器)
·安裝電容器靠近集成電路
·使用表面安裝電容器
·短引腳、寬導(dǎo)電條

圖14?5 電容器的正確使用 雜散電容

前面我們已經(jīng)討論了電容器像元件一樣的寄生作

表14?1 各種電容器件性能比較表

類型典型介質(zhì)吸收優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)

NPO陶瓷電容器
吸收＜0?1%
外型尺寸小、價(jià)格便宜、穩(wěn)定性好、電容值范圍寬、 銷售商多、電感低
通常很低，但又無(wú)法限制到很小的數(shù)值(10nF)

聚苯乙烯電容器 0?001%～0 ?02%
價(jià)格便宜、DA很低、電容值范圍寬、穩(wěn)定性好
溫度高于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%
價(jià)格便宜、DA很低、電容值范圍寬
溫度高于+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(wěn)定性好、可在+125°C以上溫度工作、電容值范圍寬
價(jià)格相當(dāng)貴、外形尺寸大、電感高

MOS電容器 0?01%
DA性能好，尺寸小，可在+25°C以上溫度工作，電感低
限制供應(yīng)、只提供小電容值

聚碳酸酯電容器 0?1%
穩(wěn)定性好、價(jià)格低、溫度范圍寬
外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感高

聚酯電容器 0?3%～0?5%
穩(wěn)定性中等、價(jià)格低、溫度范圍寬、電感低
外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感高

單片陶瓷電容器(高k值)＞0?2%
電感低、電容值范圍寬
穩(wěn)定性差、DA性能差、電壓系數(shù)高

云母電容器 ＞0?003%
高頻損耗低、電感低、穩(wěn)定性好、效率優(yōu)于1%
外形尺寸很大、電容值低(＜10nF)、價(jià)格貴

鋁電解電容器 很高
電容值高、電流大、電壓高、尺寸小
泄漏大、通常有極性、穩(wěn)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
泄漏很大、通常有極性、價(jià)格貴、穩(wěn)定性差、精度差

用，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(wèn)：什么是雜散電容?
答：像平行板電容器一樣，(見圖14?6)不論什么時(shí)候，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體彼此非常靠 近 (尤其是當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體保持平行時(shí))，便產(chǎn)生雜散電容。它不能不斷地減小，也不能像法拉弟屏 蔽一樣用導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽。

C=0.0085×E R ×Ad
其中：
C=電容，單位pF
E R =空氣介電常數(shù)
A=平行導(dǎo)體面積，單位mm 2
d=平行導(dǎo)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(xiàn)在印制線路板上的平行導(dǎo)電條之間或印制線路板的相對(duì) 面上的導(dǎo)電條或?qū)щ娖矫嬷g，見圖14?7。雜散電容的存在和作用，尤其是在頻率很高 時(shí)，在電路設(shè)計(jì)中常常被忽視，所以在制造和安裝系統(tǒng)線路板時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的性能問(wèn) 題，例如，噪聲變大，頻率響應(yīng)降低，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。
通過(guò)實(shí)例說(shuō)明如何用上述電容公式計(jì)算印制線路板相對(duì)面上的導(dǎo)電條產(chǎn)生的雜散電容 。對(duì)于普通的印制線路板材料，E R =4?7,d=1?5mm，則其單位面積雜


散電容為3pF/cm 2 。在250MHz頻率條件下，3pF電容對(duì)應(yīng) 的電抗為212?2Ω。

問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)如何消除雜散電容?
答：實(shí)際上從來(lái)不能消除雜散電容。最好的辦法只能設(shè)法將雜散電容對(duì)電路的影 響減到最小。

問(wèn)：那么應(yīng)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弟屏蔽(Faraday shield)，它 是在耦合源與受影響電路之間的一種簡(jiǎn)捷接地導(dǎo)體。

問(wèn)：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(guò)雜散電容C 耦合到系統(tǒng)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，那么最好的解決方法是插入一個(gè)法拉弟屏蔽。 圖14?9示出了法拉弟屏蔽中斷耦合電場(chǎng)的情況。

圖14?8 通過(guò)雜散電容耦合的電壓噪聲
(a) 電容屏蔽中斷耦合電場(chǎng)
(b) 電容屏蔽使噪聲電流返回到噪聲源，而不通過(guò)阻抗Z 1

圖14?9 法拉弟電容屏蔽

請(qǐng)注意法拉弟屏蔽使噪聲和耦合電流直接返回到噪聲源，而不再通過(guò)阻抗Ｚ 1 。
電容耦合的另一個(gè)例子是側(cè)面鍍銅陶瓷集成電路外殼。這種DIP封裝，在陶瓷封裝的頂上有 一小塊方形的導(dǎo)電可伐合金蓋，這塊可伐合金蓋又被焊接到一個(gè)金屬圈(metallized rim)上 (見圖14?10)。生產(chǎn)廠家只能提供兩種封裝選擇：一種是將金屬圈連接到器件封裝角上的一 個(gè)引 腳上；另一種是保留金屬圈不連接。大部分邏輯電路在器件封裝的某一角上有一個(gè)接地引腳 ，所以這種器件的可伐合金蓋接地。但是許多模擬電路在器件封裝的四個(gè)角上沒(méi) 有一個(gè)接地引腳，所以這 ·側(cè)面鍍銅陶瓷DIP封裝，有時(shí)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(yīng)盡可能接地
圖14?10 由可伐合金蓋引起的電容效應(yīng) 種可伐合金蓋被懸浮?？梢宰C明，如果這種陶瓷DIP封裝器件的芯片不 被屏蔽，那么它要比塑料DIP封裝的同樣芯片更容易受到電場(chǎng)噪聲的損壞。

不論環(huán)境噪聲電平有多么大，用戶最好的辦法是將任何側(cè)面鍍銅陶瓷封裝集成電路凡是生產(chǎn) 廠家沒(méi)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(huì)損壞 芯片，因?yàn)樾酒c可伐合金蓋之間熱和電氣隔離)。如果無(wú)法焊接到可伐合金蓋上，可使用 接地的磷青銅片做接地連接，或使用導(dǎo)電涂料將可伐合金蓋與接地引腳連接。絕對(duì)不允許將 沒(méi)有經(jīng)過(guò)檢查的實(shí)際上不允許和地連接的可伐合金蓋接地。有的器件應(yīng)將可伐合金蓋接到電 源端而不是接到地，就屬于這種情況。在集成電路芯片的接合線(bond wires)之間不能采用法拉弟屏蔽，主要原因是在 芯片的兩條接合線與其相聯(lián)的引線框架之間的雜散電容大約為0?2pF(見圖14?11)，觀測(cè)值 一般在0?05pF至0?6pF之間。
圖14?11 芯片接合線之間的雜散電容 考慮高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC或DAC)，它們都與高速數(shù)據(jù)總線連接。數(shù)據(jù)總線上的每條線( 大約都以2至5V/ns的速率傳送噪聲)通過(guò)上述雜散電容影響ADC或DAC的模擬端口(見圖14?12 )。由此引起的數(shù)字邊緣耦合勢(shì)必降低轉(zhuǎn)換器的性能。

圖14?12 高速數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字噪 聲通過(guò)雜散電容進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬端口

為了避免這個(gè)問(wèn)題，不要將數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器直接相連，而應(yīng)使用一個(gè) 鎖存緩沖器作為接口 。這種鎖存緩沖器在快速數(shù)據(jù)總線與高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間起到一個(gè)法拉弟 屏蔽作 用。雖然這種方法增加了附加的器件，增加了器件的占居面積，增加了功耗，稍降低了可靠 性及稍提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，但它可以明顯地改善轉(zhuǎn)換器的信噪比。