PCB設(shè)計(jì)之電容篇

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 PCB設(shè)計(jì)之電容篇 1.電容的構(gòu)造和特性 給導(dǎo)體加電位，導(dǎo)體就帶上電荷。但對(duì)于相同的電位，導(dǎo)體容納電荷的數(shù)量卻因它本身構(gòu)造的不同而不同。導(dǎo)體能夠容納電荷的能力稱為電容。 通常，某導(dǎo)體容納的電荷Q（庫(kù)侖）與它的電位V（伏特，相對(duì)于大地）成正比，即有， 所以 C就是該導(dǎo)體的電容量。電容的單位是法拉（F）， 。 圖1 電容器的構(gòu)造和符號(hào) 如圖1（a）所示，在兩塊平行的金屬板之間插入絕緣介質(zhì)，且引出電極就成為了電容器。它的電路符號(hào)見圖1（b）所示，分別為有極性電容和無(wú)極性電容。 若給電容器充電，電容器的兩極板上就會(huì)積累電荷。如圖2（a）所示為給電容量為C的電容器以恒定電

2、流強(qiáng)度I充電示意圖。假設(shè)電容器初始不帶電荷，即它兩端的初始電壓等于零。我們回憶電流的定義：電荷在導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)形成了電流，單位時(shí)間內(nèi)流過導(dǎo)體橫截面的電荷量稱為電流強(qiáng)度，即有，則，又因在電容器中有，故，所以。 即電容量為C的電容器在恒定電流強(qiáng)度I的作用下，兩端電壓V隨時(shí)間t線性上升，上升曲線如圖2（b）所示。 圖2 給電容器恒流充電 電容器兩端的電壓越高則所容納的電荷就越多，即儲(chǔ)能就越大。但電容器兩極板間絕緣介質(zhì)的耐電強(qiáng)度是有限的，若兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度太高，就可能將絕緣介質(zhì)擊穿，從而使電容器短路。因此在應(yīng)用中要兼顧電容器的耐壓。 結(jié)論：電容器在電路中有容納電荷的作用，也即存儲(chǔ)能量的作用。電容器存儲(chǔ)能

3、量是需要時(shí)間的，因此電容器兩端電壓不能突變。且電容量越大，可存儲(chǔ)的能量就越多。電容器重的兩個(gè)參數(shù)是它的電容量和耐壓。 2.RC充放電回路 圖3（a）所示電路是以一個(gè)RC充放電回路示意圖。假設(shè)電容器兩端的初始電壓為零，開關(guān)K與1端接通的瞬間，電源通過電阻R對(duì)電容器充電，此時(shí)電容器的充電電流為E/R，若持續(xù)以這個(gè)電流充電，則VC的上升曲線是一條線性的直線，如圖3（b）中的虛線所示。 圖3 RC充放電回路 但是因在整個(gè)充電過程中充電電流為，故隨著VC的上升，充電電流強(qiáng)度IC逐漸減小，則VC上升的幅度也逐漸變小，直到上升至電源電壓E，同時(shí)充電電流為0。這樣使實(shí)際的VC上升曲線如圖3（b）所示。VC是按

4、指數(shù)規(guī)律上升的，它隨時(shí)間t變化的表達(dá)式為： 其中，為時(shí)間常數(shù)。 可以看出串聯(lián)電阻R越大，充電電流就越小，則充電時(shí)間就越長(zhǎng)；電容量C越大，所需要的電荷就越多（即儲(chǔ)能越多），充電時(shí)間也就越長(zhǎng)。 當(dāng)電容充滿電后，VC等于E。此時(shí)開關(guān)K與2端接通，則電容器通過R放電，放電電流為，VC逐漸降低。在接通2端的瞬間，放電電流為，但隨著VC的降低，放電電流也逐漸降低，直至VC為0V，放電電流也為0。這樣以來(lái)，電容放電時(shí)VC的下降曲線如圖1.7（c）所示。VC也是按指數(shù)規(guī)律下降的，它隨時(shí)間t變化的表達(dá)式為： 3.電容的容抗 在電路中電容有一個(gè)很重要的作用，就是通交流、隔直流。若一個(gè)直流電壓加在電容的一端，則電容

5、穩(wěn)定后（即充放電過程完成后），在電容的另一端不能感受到這個(gè)電壓，即直流被隔開，這一點(diǎn)我們從RC充放電回路也可以看出來(lái)；若輸入Vi是一個(gè)交流信號(hào)，則Vo會(huì)輸出同頻率的交流信號(hào)，且輸入交流信號(hào)頻率越高，輸出Vo的幅度就越大，即交流信號(hào)通過了這個(gè)電容。 其實(shí)我們可以這樣來(lái)理解，交流信號(hào)的幅度和方向都是隨時(shí)間變化的，而電容對(duì)電壓的反應(yīng)是有隋性的，即它兩端的電壓不能突變。當(dāng)電容器一個(gè)極板的電位隨輸入信號(hào)變化較快時(shí)，電容器兩端的電壓變化較慢，則引起它的另一個(gè)極板的電位也跟著以同樣的方式變化。這樣以來(lái)，雖然有一些損失（電容兩端電壓畢竟變化了一點(diǎn)），但也相當(dāng)于交流信號(hào)通過了這個(gè)電容器。而且，輸入信號(hào)變化的越快

6、（即頻率越高），電容器容量越大（即它兩端的電壓變化越慢），就越容易通過。 在電路中，電容器C對(duì)信號(hào)的容抗為： 式中f為信號(hào)的頻率，單位為赫茲，容抗XC的單位為歐姆。 4.電容的濾波作用 利用電容的特性我們可以制作濾波器。如圖4（a）所示的電路就是一個(gè)高通濾波器，即輸入信號(hào)頻率越高則越容易通過，頻率越低越不容易通過，不允許直流通過，這樣就可濾除信號(hào)中的低頻率成份。相反圖4（b）所示的電路則是一個(gè)低通濾波器，它可以濾除信號(hào)中的高頻成份。 （a）高通濾波器 （b）低通濾波器 圖4 濾波器電路 5.常用電容器的分類 電容的選取要慎重，一般可選擇較的電容品牌，如TDK電容、國(guó)巨電容等，作為質(zhì)量的保證。

7、（1）鋁電解電容 鋁電解電容為有極性電容，在電路中它的“+”極必須要接電位較高的一端。它的實(shí)物照片如圖5（a）所示。 優(yōu)點(diǎn)：容量大，能耐受大的脈動(dòng)電流。 缺點(diǎn)：容量誤差大，泄漏電流大；普通電解電容器不適于在高頻和低溫下應(yīng)用，不宜使用在25kHz以上頻率。 圖5 電容實(shí)物 用途：低頻旁路、信號(hào)耦合、電源濾波。 （2）鉭電解電容 鉭電解電容也為有極性電容。實(shí)物照片如圖5（b）所示。 優(yōu)點(diǎn)：溫度特性、頻率特性和可靠性均優(yōu)于普通電解電容器，特別是漏電流極小，壽命長(zhǎng)，容量誤差小，而且體積小，單位體積下能得到的電容電壓乘積。 缺點(diǎn)：對(duì)脈動(dòng)電流的耐受能力差，若損壞易呈短路狀態(tài)，價(jià)格較高。 用途：在許多場(chǎng)合可