电路设计中如何选择电容111

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                                         电路设计中如何选择电容

电容按功能分一般可分为耦合电容，滤波电容，谐振电容和旁路电容等，如何在电路设计过程中选择电容的大小和耐压值呢？  

一、首先我们了解一下电容的基础知识：  

1、电容的分类和作用   
电容(Electric capacity)，由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成。由于绝缘材料的不同，所构成的电容器的种类也有所不同：   
按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。   
按介质材料可分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。   
按极性分为：有极性电容和无极性电容。 我们最常见到的就是电解电容。   
电容在电路中具有隔断直流电，通过交流电的作用。   

2、电容的符号   
   电容的符号同样分为国内标表示法和国际电子符号表示法，但电  
容符号在国内和国际表示都差不多，唯一的区别就是在有极性电容  
上，国内的是一个空筐下面一根横线，而国际的就是普通电容加一个  
“＋”符号代表正极。   
   在电路图示中，电容一般用C符号标识。   

3、电容的单位 电阻的基本单位是：F （法），此外还有μF（微法）、nF（纳法）、  
pF（皮法），由于电容 F 的容量非常大，所以我们看到的一般都是  
μF、nF、pF，而不是F。   
他们之间的具体换算如下：1F＝1000000μF              1μF=1000nF=1000000pF   

4、电容的耐压 单位：V（伏特）   
    每一个电容都有它的耐压值，这是电容的重要参数之一。普通无  
极性电容的标称耐压值有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、  
1000V等，有极性电容的耐压值相对要比无极性电容的耐压要低，一  
般的标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、  
100V、220V、400V等。   

5、电容的种类   
    电容的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极  
性固定电容、有极性电容等，从材料上可以分为：CBB电容（聚乙烯），  
涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。   



二、电容特性和选择规则。   
名称：聚酯（涤纶）电容（CL）   
符号：   
电容量：40p--4u   
额定电压：63--630V 主要特点：小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差   
应用：对稳定性和损耗要求不高的低频电路      

名称：聚苯乙烯电容（CB）   
符号：   
电容量：10p--1u   
额定电压：100V--30KV
主要特点：稳定，低损耗，体积较大   
应用：对稳定性和损耗要求较高的电路      

名称：聚丙烯电容（CBB）   
符号：   
电容量：1000p--10u   
额定电压：63--2000V   
主要特点：性能与聚苯相似但体积小，稳定性略差   
应用：代替大部分聚苯或云母电容，用于要求较高的电路      

名称：云母电容（CY）   
符号：   
电容量：10p--0.1u   
额定电压：100V--7kV   
主要特点：高稳定性，高可靠性，温度系数小 应用：高频振荡，脉冲等要求较高的电路      

名称：高频瓷介电容（CC）   
符号：   
电容量：1--6800p   
额定电压：63--500V   
主要特点：高频损耗小，稳定性好   
应用：高频电路

名称：低频瓷介电容（CT）   
符号：   
电容量：10p--4.7u   
额定电压：50V--100V   
主要特点：体积小，价廉，损耗大，稳定性差   
应用：要求不高的低频电路      

名称：玻璃釉电容（CI）   
符号：   
电容量：10p--0.1u   
额定电压：63--400V   
主要特点：稳定性较好，损耗小，耐高温（200度）   
应用：脉冲、耦合、旁路等电路   

名称：铝电解电容   
符号：   
电容量：0.47--10000u   
额定电压：6.3--450V   
主要特点：体积小，容量大，损耗大，漏电大   
应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等      

名称：但电解电容（CA）铌电解电容（CN）  
符号：   
电容量：0.1--1000u   
额定电压：6.3--125V   
主要特点：损耗、漏电小于铝电解电容   
应用：在要求高的电路中代替铝电解电容      

名称：空气介质可变电容器   
符号：   
可变电容量：100--1500p   
主要特点：损耗小，效率高；可根据要求制成直线式、直线波长式、  
直线频率式及对数式等   
应用：电子仪器，广播电视设备等   

名称：薄膜介质可变电容器   
符号：   
可变电容量：15--550p   
主要特点：体积小，重量轻；损耗比空气介质的大   
应用：通讯，广播接收机等      

名称：薄膜介质微调电容器   
符号：   
可变电容量：1--29p   
主要特点：损耗较大，体积小  
应用：收录机，电子仪器等电路作电路补偿      

名称：陶瓷介质微调电容器   
符号：   
可变电容量：0.3--22p   
主要特点：损耗较小，体积较小   
应用：精密调谐的高频振荡回路      
独石电容最大的缺点是温度系数很高,做振荡器的稳漂让人受不了,  
我们做的一个555振荡器,电容刚好在7805旁边,开机后,用示波器看  
频率,眼看着就慢慢变化,后来换成涤纶电容就好多了.   
独石电容的特点：   
电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等。   
应用范围：广泛应用于电子精密仪器。各种小型电子设备作谐振、耦  
合、滤波、旁路。      
容量范围：0.5PF--1UF      
耐压：二倍额定电压。   
里面说独石又叫多层瓷介电容，分两种类型，1型性能挺好，但容量小，一般小于0.2U，另一种叫II型，容量大，但性能一般。 就温漂而言: 独石为正温糸数+130左右,CBB为负温系数-230,用适当比例并联使用,可使温漂降到很小.



三、电容大小的选择。   
在电路设计中，电容的容量大小直接关系到电路的稳定性，例如：根  
据公式“C＝I/(△V/△t)”，假设某电路平均电流为6A，△V=50mV，  
△t=10μS，就可计算出此处对电容总容量的要求为1200μF。如果  
选用1000UF可能在短期内不会出现问题，但长时间运行就会出现电  
容暴浆等故障。在电路设计过程中，并不是电容越大，滤波效果越好，  
这要看具体电路，在低频电路中，电容值越大，对纹波的滤除效果就  
越好，但如果有高频信号，就不一定了。在高频段要选择合适的电容值和电容类型，一般采用云母电容和高频瓷片电容，电容值一般都比  
较小。   
高速数字电路设计电容选型首选法则及实例分析   
关键词：去耦（decouple）、旁路（Bypass）、等效串联电感（ESL）、  
等效串联电阻（ESR）、   
高速电路设计、电源完整性（PI）、信号完整性（SI）   
高手和前辈们总是告诉我们这样的经验法则：“在电路板的电源接入  
端放置一个1～10μF   
的电容，滤除低频噪声；在电路板上每个器件的电源与地线之间放置  
一个0.01～0.1μF 的   
电容，滤除高频噪声。”在书店里能够得到的大多数的高速PCB 设  
计、高速数字电路设计的经典教程中也不厌其烦的引用该首选法则（老外俗称Rule of Thumb）。  
但是为什么要这样使用呢？   
首先就我的理解介绍两个常用的简单概念。   
什么是旁路？旁路（Bypass），是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。电源中高频干扰是典型的无用成分，需要将其在进入目标芯片之前提前干掉，一般我们采用 电容到达该目的。用于该目的的电容就是所谓的旁路电容（Bypass Capacitor）,它利用了电容的频率阻抗特性（理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低，这个地球人都知道），  可以看出旁路电容主要针对高频干扰（高是相对的，一般认为20MHz 以上为高频干扰， 20MHz 以下为低频纹波）。   
什么是退耦？退耦（Decouple），最早用于多级电路中，为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的而采取的措施。在电源中退耦表示，当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时，需要瞬时从电源线上抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低，从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰，需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。

在电源电路中，旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰（自我保护）；退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰（家丑不外扬）。有人说退耦是针对低频、旁路是针对高频，我认为这样说是不准确的，高速芯片内部开关操作可能高达上GHz，由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围，为此目的的退耦电容同样需要有很好的高频特性。本文以下讨论中并不刻意区分退耦和旁路，认为都是为了滤除噪声，而不管该噪声的来源。   
简单说明了旁路和退耦之后，我们来看看芯片工作时是怎样在电源线  
上产生干扰的。我   
们建立一个简单的IO Buffer 模型，输出采用图腾柱IO 驱动电路，  
由两个互补MOS 管组成   
的输出级驱动一个带有串联源端匹配电阻的传输线（传输线阻抗为  Z0）。   
设电源引脚和地引脚的封装电感和引线电感之和分别为：Lv 和Lg。  
两个互补的MOS 管   
（接地的NMOS 和接电源的PMOS）简单作为开关使用。假设初始时刻传输线上各点的电压   
和电流均为零，在某一时刻器件将驱动传输线为高电平，这时候器件就需要从电源管脚吸收电流。在时间T1，使PMOS 管导通，电流从PCB 板上的VCC 流入，  
流经封装电感Lv，跨越PMOS 管，串联终端电阻，然后流入传输线，  
输出电流幅度为VCC/（2×Z0）。电流在传输线   
网络上持续一个完整的返回（Round-Trip）时间，在时间T2 结束。  
之后整个传输线处于电   
荷充满状态，不需要额外流入电流来维持。当电流瞬间涌过封装电感Lv 时，将在芯片内部   
的电源提供点产生电压被拉低的扰动。该扰动在电源中被称之为同步  
开关噪声（SSN，   
Simultaneous Switching Noise；SSO，Simultaneous Switching   
Output Noise）或Delta   
I 噪声。   
在时间T3，关闭PMOS 管，这一动作不会导致脉冲噪声的产生，因为  
在此之前PMOS 管   
一直处于打开状态且没有电流流过的。同时打开NMOS 管，这时传输  
线、地平面、封装电感   
Lg 以及NMOS 管形成一回路，有瞬间电流流过开关B，这样在芯片内  
部的地结点处产生参考   
电平点被抬高的扰动。该扰动在电源系统中被称之为地弹噪声  
（Ground Bounce，我个人读着地tan）。   
实际电源系统中存在芯片引脚、PCB 走线、电源层、底层等任何互连  
线都存在一定电感   
值，因此上面就IC 级分析的SSN 和地弹噪声在进行Board Level 分  
析时，以同样的方式存   
在，而不仅仅局限于芯片内部。就整个电源分布系统来说（Power   
Distribute System）来   
说，这就是所谓的电源电压塌陷噪声。因为芯片输出的开关操作以及芯片内部的操作，需要   
瞬时的从电源抽取较大的电流，而电源特性来说不能快速响应该电流  
变化，高速开关电源开   
关频率也仅有MHz 量级。为了保证芯片附近电源线上的电压不至于  
因为SSN 和地弹噪声降低   
超过器件手册规定的容限，这就需要在芯片附近为高速电流需求提供  
一个储能电容，这就是   
我们所要的退耦电容。   
如果电容是理想的电容，选用越大的电容当然越好了，因为越大电容  
越大，瞬时提供电   
量的能力越强，由此引起的电源轨道塌陷的值越低，电压值越稳定。  
但是，实际的电容并不   
是理想器件，因为材料、封装等方面的影响，具备有电感、电阻等附  
加特性；尤其是在高频   
环境中更表现的更像电感的电气特性。我们都知道实际电容的模型简单的以电容、电阻和电感建立。除电容的容量C 以外，还包括以下寄生参数：   
1、等效串联电阻ESR（Resr）：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?电?通过电容器，  
Resr 使电容器消耗能   
?(从而产生损耗)，由此电容中常用用损耗因子表示该参数。 来源:http://tede.cn   
2、等效串联电感ESL（Lesl）：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。   
3、等效并联电阻EPR Rp ：就是我们通常所说的电容器泄漏电阻，  
在交?耦合应用、   
存储应用(?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，?想电容器中的电荷应该只随外部电?变化。然而实际电容器  
中的Rp 使电荷以RC   
时间常数决定的速度缓慢泄放。   
还是两个参数RDA、CDA 也是电容的分布参数，但在实际的应该中影  
响比较小，这就省   
了吧。所以电容重要分布参数的有三个：ESR、ESL、EPR。其中最重要
的是ESR、 ESL，实际在分析电容模型的时候一般只用RLC 简化模  
型，即分析电容的C、ESR、ESL。因为寄生参   
数的影响，尤其是ESL 的影响，实际电容的频率特性表现出阻抗和  
频率成“V”字形的曲线，   
低频时随频率的升高，电容阻抗降低；当到最低点时，电容阻抗等于  
ESR；之后随频率的升   
高，阻抗增加，表现出电感特性（归功于ESL）。因此对电容的选择  
需要考虑的不仅仅是容 值，还需要综合考虑其他因素。包括：   
1、电容容值；2、电介质材料；3、电容的几何尺寸和放置位置。   
所有考虑的出发点都是为了降低电源地之间的感抗（满足电源最大容  
抗的条件下），在   
有瞬时大电流流过电源系统时，不至于产生大的噪声干扰芯片的电源  
地引脚。选用常见的有   
两种方法计算所需的电容：   
简单方法：由输出驱动的变化计算所需退耦电容的大小；   
复杂方法：由电源系统所允许的最大的感抗计算退耦电容的大小。   
我们假设一个模型，在一个Vcc＝3.3V 的SRAM 系统中，有36 根输  
出数据线，单根数据   
线的负载为Cload＝30pF（相当的大了），输出驱动需要在Tr＝2ns  
（上升时间）内将负载从   
0V 驱动到3.3V，该芯片资料里规定的电源电压要求是3.3V＋  
0.3V/-0.165V。  
可以看出在SRAM 的输出同时从0V 上升到3.3V 时，从电源系统抽  
取的电流最大，我们   
选择此时计算所需的退耦电容量。我们采用第一种计算方法进行计  
算，单根数据线所需要的   
电流大小为：   
I＝Cload×（dV/dt）＝30pF×（3V/2ns）=45mA;   
36 根数据线同时翻转时的电流大小为Itot＝45mA×36＝1.62A。芯当然需要考虑的因素也就越多，实际问题的解   
决总是这样，需要一些折中，需要一点妥协。   
同样使用上面的假设，电源系统的总的感抗最大：   
Xmax＝（dV/dI）＝0.05/1.62=31m 欧；   
在此，需要说明我们引入的去耦电容是为了去除比电源的去耦电容没  
有滤除的更高频率   
的噪声，例如在电路板级参数中串联电感约为Lserial＝5nH，那么  
电源的退耦频率：   
Fbypass＝Xmax/(2pi×Lserial)＝982KHz，这就是电源本身的滤波频  
率，当频率高于此频率   
时，电源电路的退耦电路不起作用，需要引入芯片的退耦电容进行滤  
波。另外引入另外一个   
参数——转折点频率Fknee，该频率决定了数字电路中主要的能量分  
布，高于该频率的分量   
认为对数字电路的上升沿和下降沿变化没有贡献。在High-Speed   
Digital Design:A Hand   
Book of Black Magic 这本书的第一章就详细的讨论了该问题，在此  
不进行详细说明。只是   
引入其中推倒的公式：   
Fknee＝（1/2×Tr）＝250MHz，其中Tr＝2ns；   
可见Fknee 远远大于Fbypass，5nH 的串联电感肯定是不行了。那么  
计算： Ltot＝Xmax/(2pi×Fknee)＝(Xmax×Tr/pi)=19.7pH;   
如前面提到的常见的贴片电容的串联电感在1.5nH 左右，所需要的  
电容个数是：   
N＝（Lserial/Ltot）=76 个，另外当频率降到Fbypass 的时候，也  
应该满足板级容抗   
需要即：   
Carray=(1/（2pi×Fbypass×Xmax）)＝5.23uF   
Celement=Carray/N=69nF;   
电容选择上都采用的MLCC 的电容进行退耦，常见的MLCC 的电容因为介质的不同可以  
进 行不同的分类，可以分成NPO 的第一类介质，X7R 和Z5V 等的第二、三类介质。EIA   
对第二、 三类介质使用三个字母，按照电容值和温度之间关系详细分类为：   
第一个数字表示下限类别温度：   
X：－55 度；Y：－30 度；Z：＋10 度   
第二个数字表示上限温度：   
4：＋65 度；5：＋85 度；6：105 度；7：125 度；8：150 度；   
第三个数字表示25 度容量误差：   
P：＋10％/-10％；R：＋15％/-15％；S：＋22％/-22％；   
T：＋22％/-33％；U：＋22％/-56％；V：＋22％/-82％   
例如我们常见的Z5V，表示工作温度是10 度～85 度，标称容量偏差  
＋22％/-82％，就 这玩意儿我们还大用特用啊。 介质性能好的电容容量做不大，容量  
大的介质常量不好，生   
活啊，你怎么总是这么矛盾啊！尤其重要的一点是MLCC 电容提供的  
电容值都是指静电容量，   
表示电容在很低的电压下测试得到的电容量，当电容的两端的直流电  
压在不超过电容耐压下   
加大时电容量将急剧下降，例如在某耐压16V 的MLCC 电容的测试数  
据中有：   
0V－－>100%，8V——>86%，12V——>68%，16V——55％。

mical321

撸过

lcadrian

有用处，可以举例来说明那就最好了