电路中的电容都有什么作用？ 第1页

电容器是模拟和数字电路的基本元件。电容器极大地决定了电子电路的性能、寿命和可靠性。

电容的作用

1. 电源“滤波”（平滑）和储能

利用电容最基本的储存电荷的功能，把混在直流电里的交流成分平滑掉，一般叫“电源滤波”。 这实际上也算是一个输出到地的高通。电源滤波一般以1uF（105）为界线（超过 1uF 的电容常为电解，有比较大的ESL，频率高的时候ESL交流阻抗反而会大于标称容量应有的交流低阻抗）。

既然是高通，大电容通低频，小电容通高频。为了覆盖电路的工作频率，常将一个容量较大的电解并联了一个便宜的小瓷片电容（NPO，C0G，X7R和Y5V等）（103～104）。

*** 备注： 某些 LDO 稳压电源芯片不推荐在 DC 输出端并联小瓷片电容以避免自激

2. 旁路和去耦电容

旁路电容是为本地器件提供电源的储能器件，能使稳压器的输出均匀化，降低电源轨上的波动。旁路电容把本级电路产生的高频波动作为滤除对象。去耦电容是一种用于将电路的一个部分与另一个部分去耦的电容。由本级元件引起的噪音会通过该电容器分流，减少它对整个电路其他部分的影响。去耦电容另一个名称是旁路电容器，因为它用于旁路电源或电路中其他高阻抗元件。

直流电源回路不是理想的电压源，负载的变化会在电源内阻上产生噪声。

例如在数字电路中，当电路从一个状态翻转为另一状态时，可能在电源轨上产生一个很大的尖峰，形成瞬变噪声电压。配置去耦电容可以抑制或者减少负载（也就是某一级电路）变化而产生的噪声，这是提高电路可靠性的一种常规做法。

旁路电容容量一般为 1000pF(102)~0.1uf(104)的电容，陶瓷电容（NPO/C0G，X7R和Y5V等）或独石甚至云母电容，ESL小，谐振频率高，对高频的阻抗小，可为高频干扰信号提供一条旁路。同样这也是一种高通，到地的高通。

“滤波”的称呼是因为电容在电源侧， “旁路和去耦”的称呼是电容在负载侧。它们的工作原理是一样的。这种区分其实是人为的。

去耦/旁路电容充当能量储存器， 通常被放置在PCB上尽可能靠近集成电路（IC）的地方。它们的目的就是：

如果局部电源轨输入电压下降，去耦电容能够为集成电路暂时提供足够短时间的电力，保持电压稳定。如果电压上升，去耦电容能吸收流向集成电路的多余能量（尖峰），能保持电压相对稳定。

一些组件，如单片机依赖于输入电压尽可能的稳定，当你在旁边放置一个去耦电容时，能够过滤掉不必要的噪音和创造稳定的“电源”保护敏感的芯片。

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***** 备注： 有些作者认为去耦和旁路电容不应该混淆

“旁路”和“去耦”往往被理解不深。许多设计师认为旁路和解耦是同义词，其实不然，它们是不同的概念，是对不同问题的解决方案。

旁路是通过用一个旁路分流一个高阻抗的路径来减少高频电流的流动。用一个旁路，通常是一个电容（本例中为Cbyp）来分流该路径的高频电流。旁路目的是减少电源线上的噪声电流。

去耦是将两个电路隔离在一条共同的线路上。

去耦网络通常是一个低通滤波器，隔离很少在两个方向上相等。去耦是用来防止噪声从一个电路传输到另一个电路。

在上图中，一个旁路电容Cbyp 与 去耦电路 “Ldec和Cdec”一起显示。（这样的电路在无线电接收机常见）

在实践中，旁路总是在去耦时使用。大多数电路需要旁路，而不是去耦。使用去耦技术来完成旁路会产生令人失望的结果，如果不是灾难性的结果。

因此对这两个概念的完全理解是至关重要的。

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在为去耦应用选择电容器时，关键是要考虑设计的电气要求。选择旁路电容时要考虑的关键参数包括交流信号的最低频率和电阻的电阻值。在大多数情况下，最低频率是50 Hz。

尽管有不同类型的电容器可用于去耦/旁路应用，但它们的特性因使用的电介质材料和结构而有明显的不同。这两者决定了温度稳定性、线性度、额定电压、物理尺寸和成本。常用于去耦应用的电容器类型包括陶瓷、钽和铝电解电容器。陶瓷电容器的性能和成本使其成为去耦应用的热门选择。这些电容器具有低等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。此外，多层陶瓷电容器（MLCC）有多种封装和电容值可供选择。陶瓷电容器是高频电路中去耦应用的极佳选择。

开关型铝电解电容器通常用于低频和中频电子电路的去耦应用。这些电容器价格低廉，有多种电容值可供选择，并且具有较高的电容体积比。然而，铝电解电容器表现出与温度有关的磨损，并且在低温下具有高ESR。这些电容器被广泛用于消费产品的去耦应用。

固体钽电容器具有较高的CV值，而且它们不太容易磨损。此外，它们在低温下表现出令人印象深刻的稳定性。与铝电解电容器相比，钽电容器具有更高的电容体积比和更低的ESR。另一方面，钽电容器价格昂贵，而且仅限于低电压应用，通常不超过50V，这些电容器通常用于较高的可靠性应用。

薄膜电容器，如聚酯、聚丙烯、特氟隆和聚苯乙烯电容器的去耦应用有限。虽然这些电容器适用于高电压应用，而且不易磨损，但生产成本相对较高。尽管如此，这些电容器的特性使它们成为高电压、高电流和音频去耦应用的合适选择。

在50MHz以下（别忘了考虑时钟的谐波），传统的去耦方法是有效的。 使用一个或两个去耦电容（通常是0.1或0.01uF），靠近IC电源和接地引脚放置。 考虑去耦电容和IC之间形成的环路面积，并将电容放置在最小的环路面积上。

在50MHz以上，分立去耦电容在提供有效去耦方面变得非常低效。 在这些频率下，某种形式的分布式去耦电容是必要的。 这可以通过使用分布在IC周围的许多小电容来实现，或者利用电源和地平面之间的分布式板间电容。 使用多个电容进行高频去耦的关键是：(1)使它们的值相同，(2)将它们分散在集成电路周围，不要将它们放在一起。这样做的原因是，当等值的L-C网络并联时，总电容等于NxC，总电感为L/N，其中N为所用电容的数量。 换句话说，对于并联的L-C网络，电容值乘以使用的网络数量，而电感值则除以使用的网络数量。 这两种效应都对我们有利。 因此，对于一个固定的电感值，高频去耦网络的有效性完全取决于你使用的电容数量。 电容器越多，总电感量就越低，高频去耦就越好。 以英特尔为例，建议使用41个去耦电容以便对Pentium微处理器进行有效去耦（英特尔应用说明AP-579）。 当使用大量的电容器时，与只使用一个或两个电容器时相比，准确的位置变得不那么重要。 只要把它们分散在IC周围，并尽量相对于IC对称（或均匀）地放置。有很多人使用和/或推荐使用不同价值的多个电容器。 这种方法的问题是，不同价值的电容器会产生反谐振，或交叉谐振（产生阻抗峰值）。 这不是一个理想的结果。

建议看看 Bruce Archambeault 和 Clayton Paul的论文。 特别是 Bruce Archambeault的论文，使用网分给出了去耦效果的测量值。 对于多值电容的情况，结论是："当增加第二个电容值时，高频去耦性能没有明显的改善。 事实上，在大部分典型噪声能量存在的频率范围内（50-200MHz），去耦性能更差。" Archambeault 的数据显示，当使用两个不同的电容值时，与所有电容值相同时的结果相比，噪音在50至200MHz之间增加了25dB（由于不同价值的电容之间的交叉共振）。

       Paul, Clayton R., Effectiveness of Multiple Decoupling Capacitors, IEEE Transactions on EMC, May 1992. Archambeault, Bruce, Eliminating the MYTHS About Printed Circuit Board Power/Ground Plane Decoupling, ITEM 2001. Sisler, J., Eliminating Capacitors From Multilayer PCBs, Printed Circuit Design, July 1991.     

尽管高频去耦的有效性取决于所使用的电容器的数量（因为电感被降低到L/N），但低频去耦的有效性与所使用的电容器的数量无关。 低频去耦的效果完全取决于所有电容器加起来的电容值（CxN）。 CxN的值越大，去耦的频率就越低，仍然有效。如果计算一下会发现，即使是多个分立去耦电容，不管用多少个，也不管把它们放在哪里，都只能在大约500MHz以内有效。

埋入式PCB电容层。

使用大量分立去耦电容的概念的极限是使用分布式去耦电容，通过利用PCB的电源和地平面之间的分布式平面间电容。 这相当于无限多的无限小的电容。

获得500MHz以上有效去耦的唯一方法是使用某种形式的分布式平面间电容。 这种技术在50MHz以下也是有效的。 为了在50兆赫以上有效，需要使用约1000 pF/平方英寸的电源地平面电容。 5-10密耳的标准层间距提供的电容是这个要求的1/5到1/10。在1989~1990年，Zycon公司（当时成为Hadco公司，现在是Sanmina公司）开发了一种特殊的PCB层压板，层间距为2密耳，使用标准的FR-4环氧玻璃作为电介质。 这种被称为ZBC-2000的层压板提供500 pF/平方英寸的板间电容。 通过在一块PCB上使用两套电源和地平面，可获得所需的1000 pF/平方英寸. 尽管Zycon拥有2mil厚的层压板技术的专利，但它可以从许多来源获得。Zycon把这种技术称为埋入式电容。截至1999年，共有35家印刷电路板制造商被授权使用这项技术制造电路板，还有14家制造商被授权生产特殊的ZBC-2000层压材料。虽然这项技术已经有了十年的历史，但它现在才开始流行。 转换为埋入式电容PCB非常容易，因为不需要新的美术作品。 只需改变层的堆叠。

最常见的堆叠方式如下:

-----------------------Signal

-----------------------Power* 埋入式电容层

-----------------------Ground* 埋入式电容层

-----------------------Signal

-----------------------Signal

-----------------------Ground* 埋入式电容层

-----------------------Power* 埋入式电容层

-----------------------Signal

       Hubing, Drewniak, Van Doren, and Hochanson, “Power Bus Decoupling on Multilayer Printed Circuit Boards,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol 37, No 2, May, 1995, pp. 155-166. All my references are to this paper.  Hubing, Van Doren, Sha, Drewniak, and Wilhelm, “An Experimental Investigation of 4-Layer Printed Circuit Board Decoupling, Proceedings of the 1995 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, August, 1995, pp. 308-312.  Dr. Howard Johnson, President, Signal Consulting, Inc. and author of “High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic,” Prentice-hall, 1993.     

3. 耦合电容

容量uF级的电容， 像电解或薄膜电容，因为是圈绕的，ESL电感较大，谐振频率较低，对低频信号通过较好，在高频信号通路中 ESL 会表现出较大的电感阻抗，一般用于音频或者低频的交流信号输入。 同时也能将前后级之间不同的直流工作点隔离开，以免影响相互之间的偏置电压。

耦合电容器用于电子电路中，以传递所需的交流信号，并阻断不需要的直流成分。这些不需要的直流信号来自电子设备或电子电路的前级。在音频系统中，直流成分通过引入噪声影响所需信号的质量。此外，直流信号影响功率放大器的性能，增加失真。在电路中，一个耦合电容与信号路径串联在一起。耦合电容器被用于模拟和数字电子电路中。它们在音频和射频系统中有许多应用。

电容器的反应性使它对不同的频率有不同的反应。在耦合应用中，电容器阻止低频直流信号，允许高频交流信号通过。对于低频成分，如直流信号，电容器表现出高阻抗，从而阻挡它们。另一方面，电容器对高频成分表现出低阻抗。这允许高频信号，如交流成分通过。在音频系统中，直流源被用来为音频电路供电。然而，由于音频信号通常是一个交流信号，直流成分在输出端是不需要的。为了防止直流信号出现在输出设备上，需要在负载上串联一个耦合电容器。耦合电容器是放大器电路中必不可少的元件。它们用于防止晶体管的偏置电压受到交流信号的干扰。在大多数放大器电路中，这是通过耦合电容将信号驱动到晶体管的基极来实现的。当一个具有正确电容值的电容器被串行连接时，有用的信号被允许通过，而直流成分被阻断。传输线上存在的直流成分会大大影响数字电路的性能。在通信系统中，耦合电容被用来阻断不需要的直流成分。阻断直流分量有助于最大限度地减少能量损失，防止数字电路中的电荷积累。

为耦合/直流阻断应用选择电容器时，需要考虑的关键参数包括阻抗、等效串联电阻和串联谐振频率。电容值主要取决于应用的频率范围和负载/源阻抗。常用于耦合应用的电容器类型包括薄膜、陶瓷、钽、铝电解和铝有机/聚合物电解电容器。钽电容器在高电容值时具有高稳定性，它们有不同的变体。与陶瓷相比，这些电容器的ESR较高，价格也较贵。对于耦合应用，钽电容器比陶瓷电容器更受欢迎。铝电解电容器比钽电容器更便宜。它们提供稳定的电容，并具有与钽电容器类似的ESR特性。然而，这些电容器的尺寸相对较大，不建议用于电路板空间有限的电路。铝电解电容器被广泛用于功率放大器的耦合应用。

陶瓷电容器价格低廉，可采用小型SMT封装。与钽电容器相比，这些电容器更便宜。虽然陶瓷电容器通常用于音频和射频应用，但它们通常不适合要求卓越性能的应用。薄膜电容的物理尺寸较大，限制了它们在交流耦合中的应用。如果空间不是问题，聚丙烯和聚酯电容器的特性使它们成为前置放大器电路中耦合应用的良好选择。

4. 定时或者谐振电容

高度稳定和低损耗的电容， 例如云母、NP0瓷片（C0G）和薄膜电容可用于谐振电路和组成信号通路的各种滤波器。

电容器对不同频率的信号有独特的反应，可阻挡低频或直流信号成分，允许更高的频率通过。

滤波（LPF/BPF/HPF）在各种信号处理应用中都很有用。无线电接收机可使用电容器（以及其他组件）来选出或者抑制不需要的频率。例如传统收音机/电视机/无绳电话的中频变压器。

信号过滤的另一个例子是音箱内的无源分频电路，将一个音频输出分给多个单元。一个串联电容器就是一个简单的高通滤波器，阻断低频，高频可进入高音单元。而在（重）低音部分，高频大部分通过并联电容到地。

5. 其他作用

电容的某个突出的特点也能作为特殊用途。 例如 X7R和Y5V 电容的温度系数大， 在某些特殊应用里面可以将电容用作温敏元件。

例如容量巨大的动力法拉电容， 或者帮助录像机电视机收音机和电度表保持记忆的普通法拉电容。

6. 待补充

例如电力的无功补偿或者电风扇和空调的启动电容，利用的是电容的电流和电压 90 度的相位差。

NP0材质高压瓷片电容产品特性Features

低损耗 0.05% at 1 KHZ
高频 ≥100KHZ
绝缘电阻大 ≥1TΩ
用途： 高压电源，激光脉冲，智能电网

【未完待续】

附录：

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在每一个电子或电气电路中，电容器起着关键作用。

因此，每天不同类型的电容器的生产可以从数千到数百万。

每种电容器都有其优点、缺点、功能和应用。因此，在为任何应用选择时，了解每种类型的电容器是非常重要的。这些电容器的范围从小型到大型，包括基于类型的不同特征，使其独一无二。小而弱的电容器可以在无线电电路中找到，而大的电容器则用于储能滤波电路。小型电容器的设计可以使用陶瓷材料，用环氧树脂密封，商业用途电容器是用金属箔设计的，使用薄的涤纶/麦拉片或石蜡浸渍纸。有些被废弃或者禁止的“油浸”电容含有PCBs（多氯联苯）。电容器是电子电路设计中最常用的元件之一。它在许多嵌入式应用中发挥着重要作用。它有不同的额定值。它由两块金属板组成，被不导电的物质或电介质分开。它通常是模拟信号和数字数据的存储库。不同类型的电容器之间的比较一般是根据板之间使用的电介质来进行的。有些电容器看起来像管子，小的电容器通常由陶瓷材料构成，然后浸入环氧树脂来密封。

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电容器是模拟和数字电子电路的基本元件。

这些无源元件在影响电路的操作行为方面发挥着重要作用。电容器的特性主要取决于所使用的电介质材料的不同。介质材料决定了电容器的电容值、能源效率和尺寸。

固定值电容器可大致分为两种：

极性和非极性电容器。

非极性电容器包括陶瓷、薄膜和纸质电容器。

铝电解电容器和钽电容器是极性元件。

在电路中，电容器的应用范围很广，包括储存电荷、阻断直流电组件、绕过交流组件、过滤不需要的信号等等。电容器的应用主要取决于其特性。在为某一特定应用选择电容器时，需要考虑的关键特性包括电容值、额定电压、频率响应特性、成本和物理尺寸。电容器的其他特性可以影响电子电路的性能，包括温度特性、自愈特性、老化和可燃性。

【未完待续】