電容器的寄生作用與雜散電容

1、電容器的寄生作用與雜散電容zhenglixin發(fā)表于2005-5-79:29:00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(diǎn)和缺點(diǎn)？答：為具體的應(yīng)用選擇合適類型的電容器實(shí)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）:交流埸合去瑞FitTrns修鴻海舊，果祥保持圖“j盤容黑四種應(yīng)用重型 交流耦合，包括旁路（通過交流信號(hào)，同時(shí)隔直流信號(hào)） 去耦（濾掉交流信號(hào)或?yàn)V掉疊加在直流信號(hào)上的高頻信號(hào)或?yàn)V掉電源、基準(zhǔn)電源和信號(hào)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(chǔ)

2、存電荷）盡管流行的電容器有十幾種，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(duì)某一具體應(yīng)用來說，最合適的電容器通常只有一兩種，因?yàn)槠渌愋偷碾娙萜?，要么有的性能明顯不完善，要么有的對(duì)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(shí)際”電容器用附加的“寄生”元件或“非理想”性能來表征，其表現(xiàn)形式為電阻元件和電感元件，非線性和介電存儲(chǔ)性能?！皩?shí)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(xì)說明。在每項(xiàng)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。J*.2”

3、實(shí)際”電容林桂亶圖14.2“實(shí)際”電容器模型問：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(chǔ)（吸收）。電容器泄漏電阻，RR在交流耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)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(shí)，RP是一項(xiàng)重要參數(shù)，電容器的泄漏模型如圖14.3所示。圖M.3電容器的范漏模型圖14.3電容器的泄漏模型理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實(shí)際電容器中的RP使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的電解電容器（鋁電容器和鋁電容器）的容量很大，由于其隔離電阻低，所以漏電流非常大

4、（典型值520nA/gF）,因此它不適合用于存儲(chǔ)和耦合。最適合用于交流耦合及電荷存儲(chǔ)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）電容奧lOro等效串聯(lián)電阻（ESR）,RESR: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(gè)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，RESR使電容器消耗能量（從而產(chǎn)生損耗）。這對(duì)射頻電路和載有高波紋電流的電源去耦電容器會(huì)造成嚴(yán)重后果。但對(duì)精密高阻抗、小信號(hào)模擬電路不會(huì)有很大的影響。RESR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）,LESL: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(gè)極板的等效電感串

5、聯(lián)構(gòu)成的。像RESR一樣，LESL在射頻或高頻工作環(huán)境下也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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（transitionfrequencies）擴(kuò)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(hào)。這就是在高頻情況下對(duì)這種電路的電源端要進(jìn)行適當(dāng)去耦的主要原因。電解電容器、紙介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(gè)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(shí)主要起電感的作用。對(duì)于高頻去耦更合適的選擇應(yīng)該是單片陶瓷電容器，

6、因?yàn)樗鼈兙哂泻艿偷牡刃Т?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(duì)振動(dòng)敏感），所以有些單片陶瓷電容器可能會(huì)出現(xiàn)自共振，具有很高的Q值，因?yàn)榇?lián)電阻值及與其在一起的電感值都很低。另外，圓片陶瓷電容器，雖然價(jià)格不太貴，但有時(shí)電感很大。問：在電容器選擇表中，我看到“損耗因數(shù)”這個(gè)術(shù)語。請(qǐng)問它的含義是什么？iTOMFWAT匕加止刑力造111j錯(cuò)誤方法圖145電容器的正確使用雜散電容前面我們已經(jīng)討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|tlM羯帽部眥腌1號(hào)健腳

7、1金t3mlKttS代QJW施工注腳時(shí)靛蟹班嗎，幗曲Ik拗制籟祖舟.峭4喘麗川，啾棟酷奸-tw阱立菇，撇杜嘏闞m日帆7處睦里用釵堂航靛1通料1賦*M翅.儂次例吟;般他依力£也耳如就肚瞰艮傅炯算觸龍陽副:班1MMM寸工睫兔營船工駐擔(dān)例，.強(qiáng)鴕桃制做息限叫EI.JU軸羽T-映mti眼楙札峙WUM鼬家期二嫩豺期靜年出>3植W瓶映航展皿睛也醺纏.潮割Y融罐蝌&瞅.眥K找民悔*副赭計(jì)慢父曲力月刊造陶前酷包我*H電瞌附m翻割蚊玳搬胖丸j2莊類型典型介質(zhì)吸收優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)NPO陶瓷電容器吸收01%外型尺寸小、價(jià)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BM制到很小的

8、數(shù)值（10nF）聚苯乙烯電容器0001%002%價(jià)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0001%002%價(jià)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0003聯(lián)002%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(jià)格相當(dāng)貴、外形尺寸大、電感高M(jìn)OSfe容器001%DA性能好，尺寸小，可在+25°C以上溫度工作，電感低狠制供應(yīng)、只提供小電容值聚碳酸酯電容器01%穩(wěn)定性好、價(jià)格低、溫度范圍寬外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感高

9、聚酯電容器03%05%穩(wěn)定性中等、價(jià)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）02%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0003%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（10nF）、價(jià)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、電感性鋰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(jià)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（straycapacitance）的另一種寄生作用。、可：什么是雜散電容？答

10、：像平行板電容器一樣，（見圖146）不論什么時(shí)候，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體彼此非常靠近（尤其是當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體保持平行時(shí)），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(jìn)行屏蔽。C=0.0085XERXAd其中：C=電容，單位pFER=空氣介電常數(shù)A耳行導(dǎo)體面積，單位mm2d=平行導(dǎo)體間的距離，單位mm圖146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(duì)面上的導(dǎo)電條或?qū)щ娖矫嬷g，見圖147。雜散電容的存在和作用，尤其是在頻率很高時(shí)，在電路設(shè)計(jì)中常常被忽視，所以在制造和安裝系統(tǒng)線路板時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的性能問題，例如，噪聲變大，頻率響應(yīng)降低，甚至使,統(tǒng)不穩(wěn)

11、定。通過實(shí)例說明如何用上述電容公式計(jì)算印制線路板相對(duì)面上的導(dǎo)電條產(chǎn)生的雜散電容。對(duì)于普通的印制線路板材料，ER=47,d=15mm則其單位面積雜r -Lr -Ld J司面上的柝加聲電不招時(shí)前工的導(dǎo)電條和；我】牙電丁二：»印制叫厚板頂視照LhJ印制線居標(biāo)剖面圖散電容為3pF/cm2o在250MH瀕率條件下，3pF電容對(duì)應(yīng)的電抗為2122Q。'可：請(qǐng)問如何消除雜散電容？答：實(shí)際上從來不能消除雜散電容。最好的辦法只能設(shè)法將雜散電容對(duì)電路的影響減到最小。'可：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(Faradayshield),它是在耦

12、合源與受影響電珞之間的一種簡(jiǎn)捷接地導(dǎo)體。'可：雜散電容是如何起作用的？答：讓我們看一下圖148。圖中示出了高頻噪聲源VN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Z1的位置，那么最好的解決方法是插入一個(gè)法拉弟屏蔽。圖149示出了法拉弟屏蔽中斷耦合電場(chǎng)的情況。CflelOLED * *N( 71器通過雜版電客耦合的電壓噪聲圖148通過雜散電容耦合的電壓噪聲(a)電容屏蔽中斷耦合電場(chǎng)(b)電容屏蔽使噪聲電流返回到噪聲源，而不通過阻抗Z1!VCOIHU'L&JC-電霧孱凝中斷懵含電場(chǎng)l-ThH卜-，、'/L/y1f電片

13、融生上（vaupi*b電客里融使聚聲電流返回到噪聲源.而不通過阻抗£1圖3-法我弟電容屏旅圖149法拉弟電容屏蔽請(qǐng)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Z1o電容耦合的另一個(gè)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(gè)金屬圈（metallizedrim）上（見圖1410）。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(gè)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(gè)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(gè)

14、角上沒有一個(gè)接地引腳，所以這側(cè)面鍍銅陶瓷DIP封裝，有時(shí)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1410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(chǎng)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產(chǎn)廠家沒有接地的可伐合金蓋接地。為了接地可將引線焊接到可伐合金蓋上（這樣做不會(huì)損壞芯片，因?yàn)樾酒c可伐合金蓋之間熱和電氣隔離）。如果無法焊接到可伐合金蓋上，可使用接地的磷青銅片做接地連接，或使用導(dǎo)電涂料將可伐合金蓋與接地引腳連接。絕對(duì)不允許將沒有經(jīng)過檢查的實(shí)際上不允許和地連接的可伐合金蓋接地。有的器件應(yīng)將可伐合金蓋接到電源端而不是接到地，就屬于這種情況。在集成電路芯片的接合線（bondwires）之間不能采用法拉弟屏蔽，主要原因是在芯片的兩條接合線與其相聯(lián)的引線框架之間的雜散電容大約為02pF（見圖1411）,觀測(cè)值一般在005pF至06pF之間。圖1411芯片接合線之間的雜散電容考慮高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC或DAC）它們都與高速數(shù)據(jù)總線連接。數(shù)據(jù)總線上的每條線（大約都以2至5V/ns的速率傳送噪聲）通過上述雜散電容影響ADC<DAC的模擬端口（見圖1412）o由此引起的數(shù)字邊緣耦合勢(shì)必降低轉(zhuǎn)換器的性能。