電容器基礎(chǔ)知識科普（二）

02

PART

做什么

1

濾波電容

電容作為濾波功能使用是電容的一項(xiàng)重要特性。濾波功能利用的是電容的阻抗隨頻率變化的特性（前面說過電容是一個(gè)跟電阻差了90度并且隨著頻率變化的器件），再利用電阻篇講的 分壓原理 ，就可以構(gòu)成簡單的無源RC濾波器了。濾波指的是濾出不需要頻率的波形,濾波器的類型有低通、高通、帶通、帶阻。

舉個(gè)例子：

設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為1Kz的一階低無源低通RC濾波器。

先確定濾波器的形狀和電容的大小，然后再求出電阻的值。

首先電容不可能是串聯(lián)在電路中，如果串聯(lián)在電路中那么直流沒法通過，那么就不是低通濾波器了。因此確定了如圖所示的 分壓模式 。

電容的選取，有很多講究。需要要根據(jù)輸入輸出阻抗，濾波器要求的精度，頻率大小，現(xiàn)有電容器種類等選擇。這里先選擇一個(gè)100nF的電容，因?yàn)?a target="_blank">高精度的電容容值都不大，并且1Kz頻率下100nF電容的阻抗約等于1.59K,那么對應(yīng)的電阻R1也在1k左右，電阻在1K-10K之間是工程師最常用的，因?yàn)樽柚翟谶@個(gè)范圍電阻的功耗不大，并且熱噪聲也相對較?。娮柙酱鬅嵩肼曉酱螅?。

因此先確定電容為100nF。那么可能有人會問，為什么不先確定電阻，再選電容呢？這就要考慮實(shí)際情況了，因?yàn)殡娮璧姆N類比電容多很多，選取相對容易，因此這里要先定電容，再根據(jù)電容的阻抗選取電阻。

接下來讓我們分壓公式，來計(jì)算這個(gè)濾波器輸入輸出關(guān)系

濾波器通帶的-3dB截止頻率為

根據(jù)復(fù)數(shù)的模值計(jì)算方法

通過公式可以看出一階無源RC濾波器-3dB截止點(diǎn)，只需要

也可以通過復(fù)平面的方法直觀描述，如下圖所示：

1+jwC的復(fù)平面表示

通過復(fù)平面可以看到模值隨著w增加而增加，而則減。上面已經(jīng)求得，在濾波器通帶截止的時(shí)候輸出輸入的關(guān)系是，那么通過復(fù)平面很容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)wRC=1的時(shí)候，模式為，并且通過圖形可以直觀看出相位差了-45度。

把帶入仿真軟件Multisim中，觀察器幅頻和相頻特性。

仿真的幅頻和相頻特性跟理論分析一致。

濾波器的分析是利用電容阻抗分壓原理進(jìn)行計(jì)算的。電容的測量也可以利用與已知電阻，阻抗分壓原理計(jì)算。

如下圖所示，R1是已知電阻為1.59k，輸入信號為Vi，通過測量輸出信號Vo求未知電容C1的值。

這里拋出一個(gè)問題：如果測量的電壓Vo剛好是總電壓Vi的一半，那么電容的阻抗剛好等于R1嗎？（我們知道如果C1是電阻的話，可得測試待測電阻大小就為R1）在之后的RLC測量篇中我會詳細(xì)介紹。

2

隔直電容

隔直電容嚴(yán)格的講歸類在濾波電容里面，只不過隔直電容太過重要且常用，因此單獨(dú)拿出來講解。

隔直電容利用的是電容阻直流通交流的性質(zhì)。

在工程應(yīng)用或者競賽中，經(jīng)常會要求輸出正負(fù)對稱無直流分量的波形，因?yàn)橹绷鞑粌H不攜帶信息（直流也可以攜帶信息，但相對于交流攜帶信息太少），而且還會增加系統(tǒng)的功耗或者導(dǎo)致系統(tǒng)飽和。

舉個(gè)例子：

我們用的DA芯片基本都是單極性的，只能輸出正值0V以上的波形，那么怎么變成正負(fù)對稱的呢？全部是單電源的系統(tǒng)怎么輸出雙極性的波形呢？

如下圖所示，選擇一個(gè)合適的隔值電容C1串連在系統(tǒng)中，就可以解決這些問題。

通常隔直電容容值都比較大，那么到底有沒有一個(gè)明確的選擇標(biāo)準(zhǔn)呢？當(dāng)然還是有的，隔直電容需要根據(jù)頻率和負(fù)載電阻來選擇。如果你仔細(xì)觀察的話，隔直電容和負(fù)載電阻其實(shí)還是構(gòu)成了一個(gè) 分壓網(wǎng)絡(luò) ，可以歸類到高通濾波器。在濾波電容那里我們得到一個(gè)結(jié)論就是當(dāng)電阻的阻抗等于電容的阻抗的時(shí)候，剛好在通帶的截止頻率處，此時(shí)，我們這里只是想把直流分量去掉，對交流分量不作衰減，因此需要讓 電容的阻抗遠(yuǎn)小于電阻的阻抗 ，這樣交流信號在負(fù)載電阻上分到的電壓就遠(yuǎn)大于電容上的電壓，即需要的交流電壓全部加在負(fù)載上，此時(shí)交流分量。

知道了怎么利用電容把非對稱的波形變成對稱的了之后，反過來怎么給對稱的波形，加一個(gè)直流分量呢？

這里的電容C1也叫做耦合電容，當(dāng)頻率高的時(shí)候隔離電阻可以換成電感，這樣效果更好。想讓偏執(zhí)電壓受控的話，可以把這電源VDC換成DA，或者接一個(gè)電位器手動調(diào)節(jié)。這里還利用到直流通路和交流通路的概念，以后會詳細(xì)講解。

3

去耦電容

去耦和旁路可以算成一類，都是利用電容把高頻噪聲導(dǎo)入GND，是電容中應(yīng)用最廣的一類。

去耦電容常用在芯片電源管腳處，距離管腳越近越好，一般是用容值一大一小的兩個(gè)電容，并且電容要放在電流的入口處，小電容在里面，大電容在外邊。小電容濾高頻，大電容濾低頻。去耦電容一般選取0.1uF和10uF。

電源的干凈程度（噪聲多少）決定了整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)良程度，電源噪聲一部分是電源自身產(chǎn)生的，比如開關(guān)電源的開關(guān)噪聲，還有很大一部分是芯片工作的時(shí)候產(chǎn)生的耦合到電源上，比如數(shù)字芯片，會按照固定的Clock運(yùn)行，門級開關(guān)的導(dǎo)通與斷開或者大功率器件的按照一定時(shí)序工作，都會讓電源產(chǎn)生一定程度的波動。為了不讓產(chǎn)生的這些噪聲，影響到別的器件正常工作，或者影響到自身的正常工作，需要在芯片電源管腳處加電容進(jìn)行去耦。

關(guān)于電源去耦還有很多知識，在電感和EMI的文章中以后將會詳細(xì)介紹。

這里在稍微講解下為什么是小電容濾高頻，大電容濾低頻。

大家有沒有很好奇大電容濾低頻可以理解，那么為什么大電容不能濾高頻呢，不是電容越大頻率越高，阻抗就越小，濾波效果就越好嗎？那電源去耦那里直接用一個(gè)大容量又便宜的電解電容不就解決了嗎？為什么一般的芯片管腳都用兩個(gè)一大一小的電容甚至有些射頻芯片還用4個(gè)呢？

通過下面的這張不同容值的電容阻抗隨頻率變化的圖就可以看出了，前面在延伸閱讀那里有提到，實(shí)際的電容模型，存在串聯(lián)電感，因此阻抗不會隨著頻率升高一直下降，存在一個(gè)諧振點(diǎn)，過了諧振點(diǎn)電容器整體呈感性，隨著頻率升高阻抗變大。

電容越大串聯(lián)電感就越大，諧振頻率就越低，導(dǎo)致大容量的電容在高頻的時(shí)候還沒小電容阻抗低，也就是 大電容在高頻濾波效果不如小電容 。

4

儲能電容

儲能電容一種是用在電源入口出，或者大功率器件旁邊，為了減少因?yàn)楣β势骷蝗还ぷ鳟a(chǎn)生時(shí)，電源響應(yīng)速度不夠，而帶來電壓波動。

還有一種是在開關(guān)電源中和電感一起作為儲能元件使用。

可以把穩(wěn)壓電源想象成為如下的一種情形：當(dāng)試圖從一個(gè)直徑較大的自來水管中取出連續(xù)不斷的且較小的水流時(shí)，可以采用兩種策略：一種是使用一個(gè)轉(zhuǎn)接閥門，并將閥門開啟在較小位置，這就是線性電源的工作原理（可以將閥門看作晶體管）。

線性電源的電壓調(diào)整晶體管上承受著很大的“壓力”（具體的表現(xiàn)是轉(zhuǎn)換為熱能的形式散耗）；或者，可以改進(jìn)一下，讓大水管的水流到一個(gè)比較大的“水桶”里，小水管連接到這個(gè)水桶上取水，接著，需要做的就是斷續(xù)的打開/關(guān)閉大水管上的閥門，保證水桶內(nèi)的水既不會完全沒有，也不會因?yàn)樘喽绯觥_關(guān)電源的基本原理就是如此。

這里的電容和電感儲存能量就是充當(dāng)“水桶”的概念，負(fù)載RLoad在電容電感上獲取能量。

Buck電路（降壓）

Boost電路（升壓）

5

諧振電容

諧振電容與電感一起組成LC諧振電路，有時(shí)候也叫做LC震蕩電路。包括LC串聯(lián)諧振和LC并聯(lián)諧振。諧振電路廣泛應(yīng)用在濾波、選頻、調(diào)諧等電路。諧振電路以后會詳細(xì)介紹。

03

PART

買什么

如何選取電容很大程度上取決于電容的用途。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)要尋求成本和性能的最佳平衡，所以必須考慮所用場合，例如：隔直耦合和旁路選擇低精度的電容，因?yàn)檫@三種用途對容值變化不敏感。濾波、諧振之類的則需要用高精度的電容，電源設(shè)計(jì)需要高功率，高耐壓的電容。

下面介紹說下我在工程上常用的電容：

跟電阻一樣這里推薦使用購買全系類的電容樣品本，里面是NP0和XR7系列的貼片MLCC。性能優(yōu)良，但是缺點(diǎn)就是機(jī)械性能不好，容易斷裂，不能長時(shí)間焊接，溫度也不能太高，反復(fù)焊接電極容易脫落。在做PCB高頻小型化的時(shí)候建議使用。

還有購買系列的獨(dú)石電容，機(jī)械性能很好，建議做高精度濾波器的時(shí)候使用獨(dú)石電容（NP0和X7R）。尤其是在洞洞板（萬用板）上焊接的時(shí)候，如果你使用貼片電容，你會發(fā)現(xiàn)焊好的濾波器摔下就壞了，所以建議在洞洞板上焊接濾波器，使用獨(dú)石電容。

電解電容價(jià)格便宜容量大耐壓高，在電源去耦和儲能上使用。

鉭電容體積小容量大速度快ESR小，在高精度電源系統(tǒng)和小型化場合使用。

CBB電容主要是功率、耐壓值和ESR優(yōu)良，做開關(guān)電源和大功率場合使用。