从电容十说中了解电容

话说电容之一：电容的作用

作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：
1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。下面分类详述之：
1）旁路
旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。 就像小型可充电电池样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。 为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地
管脚。 这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。
2）去藕
去藕，又称解藕。 从电路来说， 总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放电， 才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候， 电流比较大， 这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。
去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1µF、0.01µF 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10µF 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。
旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。
3）滤波
从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1µF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电
容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容（1000µF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。
4）储能
储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。 电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000µF 之间的铝电解电容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。
2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：
1）耦合
举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合， 这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容， 由于适当容量的电容器对交流信号
较小的阻抗，这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。
2）振荡/同步
包括RC、LC 振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。
3）时间常数
这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通过下面的公式描述：
i = (V / R)e - (t / CR)

话说电容之二：电容的选择

通常，应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢？笔者认为，应基于以
下几点考虑：
1、静电容量；
2、额定耐压；
3、容值误差；
4、直流偏压下的电容变化量；
5、噪声等级；
6、电容的类型；
7、电容的规格。
那么，是否有捷径可寻呢？其实，电容作为器件的外围元件，几乎每个器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比较明确地指明了外围元件的选择参数，也就是说，据此可以获得基本的器件选择要求，然后再进一步完善细化之。其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装，具体要看产品所使用环境，特殊的电路必须用特殊的电容。

下面是 chip capacitor 根据电介质的介电常数分类， 介电常数直接影响电
路的稳定性。
NP0 or CH （K 150）： 电气性能最稳定，基本上不随温度﹑电压与时间的改变而改变，适用于对稳定性要求高的高频电路。鉴于K 值较小，所以在0402、0603、0805 封装下很难有大容量的电容。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB （2000 K 4000）： 电气性能较稳定,在温度﹑电压与时间改变时性能的变化并不显著（∆C ±10%）。适用于隔直、偶合、旁路与对容量稳定性要求不太高的全频鉴电路。Y5V or YF（K > 15000）： 容量稳定性较 X7R 差（∆C +20% ～ -80%），容量﹑损耗对温度、电压等测试条件较敏感，但由于其K 值较大，所以
适用于一些容值要求较高的场合。

话说电容之三：电容的分类

电容的分类方式及种类很多，基于电容的材料特性，其可分为以下几大类：
1、铝电解电容
电容容量范围为0.1µF ～ 22000µF，高脉动电流、长寿命、大容量的不二
之选，广泛应用于电源滤波、解藕等场合。
2、薄膜电容
电容容量范围为0.1pF ～ 10µF，具有较小公差、较高容量稳定性及极低的
压电效应，因此是X、Y 安全电容、EMI/EMC 的首选。
3、钽电容
电容容量范围为2.2µF ～ 560µF，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联
电感（ESL）。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容，是高稳定电
源的理想选择。
4、陶瓷电容
电容容量范围为0.5pF ～ 100µF，独特的材料和薄膜技术的结晶，迎合了
当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。
5、超级电容
电容容量范围为0.022F ～ 70F，极高的容值，因此又称做“金电容”或者
“法拉电容”。主要特点是：超高容值、良好的充/放电特性，适合于电能存储
和电源备份。缺点是耐压较低，工作温度范围较窄。

话说电容之四：多层陶瓷电容（MLCC）

对于电容而言，小型化和高容量是永恒不变的发展趋势。其中，要数多层陶瓷电容（MLCC）的发展最快。
多层陶瓷电容在便携产品中广泛应用极为广泛，但近年来数字产品的技术进步对其提出了新要求。例如，手机要求更高的传输速率和更高的性能；基带处理器要求高速度、低电压；LCD 模块要求低厚度（0.5mm）、大容量电容。 而汽车环境的苛刻性对多层陶瓷电容更有特殊的要求：首先是耐高温，放置于其中的多层陶瓷电容必须能满足150℃ 的工作温度；其次是在电池电路上需要短路失效保护设计。
也就是说，小型化、高速度和高性能、耐高温条件、高可靠性已成为陶瓷电容的关键特性。
陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低了介电常
数， 因此需要从材料方面，降低介电常数对电压的依赖，优化直流偏置电压特
性。
应用中较为常见的是 X7R（X5R）类多层陶瓷电容， 它的容量主要集中在
1000pF 以上，该类电容器主