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了解寄生电容器

工程师
2013-08-30 14:53:42    评分

理想电容器不同,实际电容器用附加的寄生元件或非理想 ”性能来表征,其表现形式为电阻元件和电感元件,非线性和介电存储性能。实际电容 器模 型如图所示。由于这些寄生元件决定的电容器的特性,通常在电容器生产厂家的产品说 明中都有详细说明。在每项应用中了解这些寄生作用,将有助于你选择合适类型的电容器。


最重要的参数有四种:电容器泄漏电阻RL(等效并联电阻EPR)、等效串联电 (ESR)、等效串联电感(ESL)和介电存储(吸收)

电容器泄漏电阻RP:在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采 样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时,RP是一项重要参数。

等效串联电阻(ESR)R ESR :电容器的等效串联 电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流 通过电容器,R ESR 使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电 流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有很大的影响 R ESR 最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。

等效串联电感(ESL)L ESL :电容器的等效串联电 感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像R ESR 一样,L ESL 在射频或高频工作环境下也会出现严重问题,虽然精密电路本身在直流或低频条 件下正常工作。其原因是用子精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(transition freque ncie s)扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下,仍具有增益,可以放大电感值很低的谐振信号。 这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。


电解电容器、纸介电容器和塑料薄膜电容器不适合用于高频去耦。这些电容器基本上是由多 层塑料或纸介质把两张金属箔隔开然后卷成一个卷筒制成的。这种结构的电容具有相当大的  感,而且当频率只要超过几兆赫时主要起电感的作用。对于高频去耦更合适的选择应该是单 片陶瓷电容器,因为它们具有很低的等效串联电感。单片陶瓷电容器是由多层夹层金属 薄膜 和陶瓷薄膜构成的,而且这些多层薄膜是按照母线平行方式排布的,而不是按照串行方式卷 绕的。

因为电容器的泄漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感,这三项指标几 乎总是很难分开,所以许多电容器制造厂家将它们合并成一项指标,称作损耗因数(disspat ion factor),或DF,主要用来描述电容器的无效程度。损耗因数定义为电容器每周期损耗 能量与储存能量之比。实际上,损耗因数等于介质的功率因数或相角的余弦值。如果电容 器在关心频带范围的高频损耗可以简化成串联电阻模型,那么等效串联电阻与总容抗之比是 对损耗因数的一种很好的估算,即DF≈ωR ESR C还可以证明,损耗因数等于电容器品质因数或Q值的倒数,在电容器制造厂家的产品说明中 有时也给出这项指标。介质吸收,R DA C DA :单 片陶瓷电容器非常适用于高频去耦, 但是考虑介质吸收问题,这种电容器不适用于采样保持放大器中的保持电容器。介质吸收是 一种有滞后性质的内部电荷分布,它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷。因为恢复电荷的数量是原来电荷的函数 ,实际上这是一种电荷记忆效应。如果把这种电容器用作采样保持放大器中的保持电容器,那么势必对测量结果产生误 差。对于这种类型应用推荐的电容器,正如前面介绍的还是聚脂型电容器,即聚苯乙烯 电容 器、聚丙烯电容器和聚四氟乙烯电容器。这类电容器介质吸收率很低(典型值<0.01%)

保证对模拟电路在高频和低频去耦都合适的最好方法是用电解电容器,例如一个钽片电容与 一个单片陶瓷电容器相并联。这样两种电容器相并联不但在低频去耦性能很好,而且在频率 很高的情况下仍保持优良的性能。除了关键集成电路以外,一般不必每个集成电路都接一个 钽电容器。如果每个集成电路和钽电容器之间相当宽的印制线路板导电条长度小于10cm,可 在几个集成电路之间共用一个钽电容器。

关于高频去耦另一个需要说明的问题是电容器的实际物理分布。甚至很短的引线都有不可忽 视的电感,所以安装高频去耦电容器应当尽量靠近集成电路,并且做到引脚短,印制线路板 导电条宽。

为了消除引脚电感,理想的高频去耦电容器应该使用表面安装元件。只要电容器的引脚长度 不超过15mm,还是选择末端引线电容器(wireended capacitors)

电容器的正确使用方法
·
使用低电感电容器(单片陶瓷电容器)
·
安装电容器靠近集成电路

·使用表面安装电容器

短引脚、宽导电条



NPO陶瓷电容器 
吸收<0.1% 
外型尺寸小、价格便宜、稳定性好、电容值范围宽、 销售商多、电感低
通常很低,但又无法限制到很小的数值(10nF)

聚苯乙烯电容器 0.001%0 .02% 
价格便宜、DA很低、电容值范围宽、稳定性好
温度高于85°C,电容器受到损害、外形尺寸大、电感高

聚丙烯电容器 0.001%0.0 2% 
价格便宜、DA很低、电容值范围宽
温度高于+105°C,电容器受到损害、外形尺寸大、电感

聚四氟乙烯电容器 0.003% 0.02% 
DA
很低、稳定性好、可在+125°C以上温度工作、电容值范围宽
价格相当贵、外形尺寸大、电感高

MOS
电容器 0.01% 
DA
性能好,尺寸小,可在+25°C以上温度工作,电感低
限制供应、只提供小电容值

聚碳酸酯电容器 0.1% 
稳定性好、价格低、温度范围宽
外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感高

聚酯电容器 0.3%0.5% 
稳定性中等、价格低、温度范围宽、电感低
外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感高

单片陶瓷电容器(k)0.2%
电感低、电容值范围宽
稳定性差、DA性能差、电压系数高

云母电容器 0.003% 
高频损耗低、电感低、稳定性好、效率优于1%
外形尺寸很大、电容值低(10nF)、价格贵

铝电解电容器 很高 
电容值高、电流大、电压高、尺寸小
泄漏大、通常有极性、稳定性差、精度低、电感性

钽电解电容器 很高 
尺寸小、电容值大、电感适中
泄漏很大、通常有极性、价格贵、稳定性差、精度差






关键词: 寄生     电容    

高工
2013-08-30 15:15:48    评分
2楼
这些参数有具体的公式可以推导没,总觉得很抽象

工程师
2013-08-30 15:19:20    评分
3楼
网上找来的,我也不清楚具体的推导过程

院士
2013-08-30 15:34:31    评分
4楼
楼主的理论功底好扎实啊,分析得细致,学习了,

高工
2013-08-30 16:03:49    评分
5楼

各种值都是随信号频率变化的,lz这个算是基础模型吧。

分析得很透彻,特别是应用部分,很有参考价值。


高工
2013-09-01 11:06:12    评分
6楼
了解。

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