電容器的寄生作用與雜散電容知識問答

1、電容器的寄生作用與雜散電容電容器的寄生作用問：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)點和缺點？答：為具體的應(yīng)用選擇合適 類型的電容器實際上并不困難。一般來說，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）:伽交濟耦舎山'去霜SAMPLE. 1+0LD述液2來祥保持因電客聲四種應(yīng)用泰型交流耦合，包括旁路（通過交流信號，同時隔直流信號）去耦（濾掉交流信號或濾掉疊加在直流信號上的高頻信號或濾掉電源、基準電源 和信號電路中的低頻成分）有源或無源RC濾波或選頻網(wǎng)絡(luò) 模擬積分器和采樣保持電路（捕獲和儲存電荷）盡管流行的電容器有十幾

2、種， 包括聚脂電容器、薄膜電容器、陶瓷電容器、電解電容器，但是對某一具體應(yīng)用來說，最合適的電容器通常只有一兩種，因為其它類型 的電容器，要么有 的性能明顯不完善，要么有的對系統(tǒng)性能有 寄生 作用”所以不采用它們。問：你談到的 寄生作用”是怎么回事？答：與 理想”電容器不同，實際”電容器用附加的 寄生”元件或 非理 想”生能來表征，其表現(xiàn)形式為電阻元件和電感元件，非線性和介電 存儲性能。實際”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)品說明中都有詳細說明。在每項應(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。 Al:；: 一- '

3、i * !L看*Ml 豪 I151 14. 2買師”電寄禍權(quán)燮問：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（吸收）。電容器泄漏電 阻，RP :在交流耦合應(yīng)用、存儲應(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，RP是一項重要參數(shù)，電容器的 泄漏模型如圖1 4.3所示。:a| IKiDELLEAKACE MOOtL想與型"J泄曲鎮(zhèn)蹩詡”吊電容器的泄漏模型然而實際電容器中的RP使電荷以RC時間常 數(shù)決定的速率緩慢泄 漏。| 士 執(zhí)-

4、 c*圖介矗吸收粹用便電蓉器快建放電 撰后開路朝恢復(fù)廩來一部分電荷電解電容器（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520nA/卩F）,因此它不適合用于存儲和 耦合。最適合用于交流耦合及電荷存儲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 通過電容器， R ESR 使電容器消耗能量 (從而產(chǎn)生損耗 )。這 對射頻電路和載有高波紋電 流的電源去耦電容器會造成嚴重后果。但對精密高阻抗、小信

5、號模擬電路不會有很大的影響 °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)境下也會出現(xiàn)嚴重問題，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 路中的晶體管在過渡頻率 (transition freque ncie s) 擴展到幾百兆赫或 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。 這 就是在高頻情況下對這種電路的電源端要進行適當(dāng)去耦的主要原因。電解電容器、 紙介

6、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 只要超過幾兆赫時主要起電感的作用。 對于高頻去耦更合適的選擇應(yīng) 該是單 片陶瓷電容器，因為它們具有很低的等效串聯(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 (即對振動敏感 )，所以有些單 片陶瓷電容器可能會出 現(xiàn)自共振，具有很高的 Q 值，因為串聯(lián)電阻 值及與其在一起的電感值都很低。另外，圓片

7、陶 瓷電容器，雖然價 格不太貴，但有時電感很大。問：在電容器選擇表中， 我看到 “損耗因數(shù) ”這個術(shù)語。 請問它 的含義 是什么?答：好。因為電容器的泄漏電阻、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感，這 三項指標幾 乎總是很難分開，所以許多電容器制造廠家將它們合并 成一項指標，稱作損耗因數(shù)(disspat ion factor)，或DF，主要用來描 述電容器的無效程度。損耗因數(shù)定義為電容器每周期損耗 能量與儲 存能量之比。實際上，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?對損耗因數(shù)的一種很好的估算，即DHs R E

8、SR 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)品說明中 有時也給出這項指標。 介質(zhì)吸收， R DA ， C DA ：單 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。因為恢復(fù)電荷的數(shù)量是原來電荷的函數(shù) ，實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)原來一部 分電荷持電容器，那么勢必對測量結(jié)果產(chǎn)生誤 差。對于這種

9、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V 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明： 保證對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，例如一個鉭片電容與 一個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，一般不必每個集成電路都 接一個 鉭電容器。如果每個集成電路和鉭電容器之間相當(dāng)寬的印制 線路板導(dǎo)電條長度小于10cm，可 在幾個集成電路之間共用一個鉭 電容器。關(guān)

10、于高頻去耦另一個需要說明的問題是電容器的實際物理分布。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度 不超過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)電條圈口艸丁沖A #5 1止?fàn)幷家?X牯誤力湛P L圖14.5電容器的正確使用 雜散電容前面我們已經(jīng)討

11、論了電容器像元件一樣的寄生作表141各種電容器件性能比較表«H-1各埠壬窖雄牛悽能出收黑收it點M點噴收丐也1扔外現(xiàn)忙；卜件|節(jié)半也汕創(chuàng)tr迪豐弓fT.庁£無茫孑卡h.鮎電界忸蘆*«零鼎和紅電圧吒蔽慎加研）枕幣僵fCnn櫃旣丄吐轉(zhuǎn)贏BE奇于爲(wèi)£,屯嘗西菱西豪»O寸扎MUk（）曲迪饒託蠱倉高予十wrc電唏幕矍- 孰*勝覽廿、電囁聚E3 IE巴毎電害磅“柚*濡-a號醫(yī)HM癱就fl叭皿一|的0山上禹廈階加目光嗆+卜議尺才人電感0.01DA ft虐曲尺寸小.可盤上5弋 凰上期匸口匚+啦威氏舉網(wǎng)債貳、只嶷供*卜電詳牡丄山驟崑性妤、卯SHIL區(qū)蹴窪0W外聚

12、尺寸丸皿鬧制科駅疋:UK'-O.S瞬龍椎中聲、階幡氐,顯崖|1團進*桂尺打仁皿隕貳講：屯岳忱也如扁曾片陽銀電客聽 悄人卸辿唔氐、蹴奪值范曲寛亀定口豪JMft睦衛(wèi)、屯匝刪云曄電尊蠱總瓠隹皚匕電勇牴罔蜀忤的、外蔻尺寸訛大冏崗ft怔WU：f IK歸電斡電密誰很需電容就陽也解大.電曝盂尺寸小貳襯九、通常育侯催、科童性爻曼抵,電搏悝迢電卿電余當(dāng)iUA只寸糸吐笄怖犬、電零T中世n世大城能卅金拈負 < r n ap -ft類型典型介質(zhì)吸收優(yōu)點缺點NPO陶瓷電容器吸收V 0?1%外型尺寸小、價格便宜、穩(wěn)定性好、電容值范圍寬、 銷售商多、電感低通常很低，但又無法限制到很小的數(shù)值(10 nF) 聚苯

13、乙烯電容器 0?001%0 ?02%價格便宜、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、價格低、溫度范圍寬

14、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（v 10nF）、價格貴鋁電解電容器 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（s

15、tray capacitanee）的另一種 寄生作用。問：什么是雜散電容 ?答：像平行板電容器一樣， （見圖 14?6）不論什么時候， 當(dāng)兩個導(dǎo)體彼此非?？?近 （尤其是當(dāng)兩個導(dǎo)體 保持平行時 ），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)體進行屏蔽。C=0.0085 XE R >Ad其中：C=電容，單位pFE R =空氣介電常數(shù) A= 平行導(dǎo)體面積，單位mm 2d=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 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

16、其是在頻率很高 時，在電路設(shè)計中常常被忽視，所以在制造和安裝系統(tǒng)線路板時會產(chǎn)生嚴重的性能問題，例如, 噪聲變大，頻率響應(yīng)降低，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過實例說明如何用上述電容公式計算印制線路板相對面上的導(dǎo)電條產(chǎn)生的雜散電容。對于普通的印制線路板材料，E R =4?7,d=1?5mm，則其單位面積雜歿柳悵睜蚯系試摘祓旨呃誥T西-的料邯靜葩*純X：!?!上牝號電條.和先棄電護蘭(-】印制議路櫛蘭視圖(J- 印制踐器檢剖面團S 14.7親擁電容話散電容為3pF/cm 2。在250MHz頻率條件下，3pF電容對應(yīng) 的電抗為 212?2Q。問：請問如何消除雜散電容？答：實際上從來不能消除雜散電容。最 好的辦

17、法只能設(shè)法將雜散電容對電路的影響減到最小。問：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 電路之間的一種簡捷接地導(dǎo)體 問：雜散電容是如何起作用的？答：讓我們看一下圖14?8。圖中境雋 爍咂翟肷？碫N如何通過雜散電容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 VN，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法拉弟屏蔽。圖14?9示出了法拉弟屏蔽中斷耦合電場的情況。r可中h;車I14. R誦班雜散電容料合的電壓噪聲 電容屏蔽中斷耦合電場（b）電容屏蔽使噪聲電流返回到噪聲源，而不

18、通過阻抗Z 1心）電客聊薑中斷癘舍電場耐電容屏菲愎卑常電涼返回別嗥聲添-而界通M3tz.14-9法拉笫電容屛藍請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 阻抗Z 1 。電容耦合的另一個例子是側(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角上沒 有一個 接地引腳，所以這 側(cè)面鍍銅陶瓷DIP封裝，有時有隔離的可伐合金 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