電容器的實際特性

 

觀察旁路電容器運行 
 
(1) 將噪聲電流旁路到地
 某些由電容器構(gòu)成的降噪濾波器使用旁路電容器。如圖1所示，旁路電容通過將噪聲電流旁路到地來消除噪聲。

 
圖1 旁路電容器運行
 (2) 阻抗越小，噪聲降低越大
 旁路電容器的阻抗越小，電流越容易流動 (圖1中的 (1) ) 。這意味著將消除更多的噪聲。換言之，插損增加。
例如，如果比較第6-4節(jié)中引入的1,000pF電容器的插損和阻抗，則圖形的形狀將大致相同，如圖2所示。這是因為在阻抗為25Ω或更低的頻率處出現(xiàn)3dB的插損，而在高于該范圍的頻率中阻抗越低，插損將越大。

圖2 電容器阻抗與插損之間的關(guān)系
 (3) 電容器的降噪效果以其阻抗表示
 因此，在衰減范圍內(nèi)，電容器的降噪效果可以用阻抗表示。為使解釋簡單化，本討論將僅考慮阻抗。
您可能會注意到電容器的阻抗與頻率和靜電電容成反比。正因為如此，在繪制圖形時，阻抗形成簡單的向下傾斜線，如圖2 (a) 的理論值所示。這些理論值將在之后的圖表中被稱為“理想電容”，并且將用于比較目的。
 (4) 實際電容器阻抗測量的示例
 圖3顯示從幾個電容器測量的實際阻抗的示例。圖中顯示一個薄膜電容器，一些MLCC和一個電解電容器。
MLCC和薄膜電容器看起來相似，因為它們都形成大致的V形曲線。電解電容器在底部形成圓的U形曲線。這表明圖2中1,000pF電容器所示趨勢是所有電容器共有的。下面說明形成這種形狀的原因。
不過注意，此處使用的測量值僅是一些示例用以證明趨勢，并且該值可能因產(chǎn)品而異。

圖3 電容器頻率特性的示例
 
(5) 靜電電容越大，阻抗越小
 下面描述給定類型的電容器靜電電容發(fā)生變化的情況。
圖4顯示當(dāng)MLCC (1608尺寸SMD) 的靜電電容以每個步幅10的系數(shù) (標(biāo)稱值) 從1000pF變化到1μF時發(fā)生的情況。為了進行比較，用虛線表示理想電容器的阻抗。
如圖所示，電容器的阻抗形成左側(cè)部分非常接近理想電容器的V形曲線，并且各靜電電容的線按順序整齊排列。在這些頻率下，電容器可以看作是簡單的靜電電容元件。

圖4 各容量時MLCC (1608尺寸) 阻抗的示例
 電容器等效電路 
 (1) 高頻處的阻抗可能集中為大約相同的值
 仔細觀察圖4中的圖表，會發(fā)現(xiàn)所顯示V形曲線的右側(cè) (高頻側(cè)) 集中在大致相同的位置處，而與電容器無關(guān)。
圖5是在圖4的圖表上重疊一個0.5nH電感的阻抗 (虛線) ，以進行比較。奇怪的是，電容器的測量阻抗 (V形曲線的右側(cè)) 大致集中在這條線上。換句話說，此處測量的電容器 (MLCC) 在高頻下顯示大約0.5nH的電感。

 
圖5 電容器阻抗與ESL之間的關(guān)系
 
(2) 考慮ESL的等效電路
 
該電感稱為電容器的ESL (等效串聯(lián)電感) 。為了在等效電路中表示采用ESL的電容器，ESL串聯(lián)連接到靜電電容 (Cap) ，如圖6所示。

圖6 僅考慮ESL的電容器等效電路
 請注意，雖然圖5中使用0.5nH的ESL，該值將根據(jù)電容器而變化。在圖5中使用相同尺寸的MLCC，所以ESL大約為相同值。使用不同的電容器將產(chǎn)生明顯不同的值。
(3) 自諧振
 如前所述，電容器阻抗通常形成V形特性曲線，因此最小點在曲線的中心部分。這種性質(zhì)被稱為電容器的自諧振，可以解釋為在圖6的等效電路中Cap和ESL之間發(fā)生的串聯(lián)諧振。最小點的頻率被稱為SRF (自諧振頻率) 。
順便提及，使用圖6所示等效電路計算阻抗，會導(dǎo)致在自諧振頻率處形成零阻抗。換句話說，實際電容器可以在該頻率下表現(xiàn)出比理想電容器更小的阻抗。
 
(4) ESR
當(dāng)然，實際電容器將表現(xiàn)出較小的損耗，因此即使在自諧振頻率下，阻抗也不會完全為零。為了表示這種損耗，作為電阻值的ESR (等效串聯(lián)電阻) 通常包括在電容器等效電路中，如圖7所示。

圖7 考慮ESL和ESR的電容器等效電路
 
ESR越小，損耗越小，電容器的性能越好。圖8例舉了具有不同ESR的MLCC的阻抗值。這表明諧振電路中使用的溫度補償電容器的自諧振頻率阻抗比通用的高介電常數(shù)電容器的自諧振頻率阻抗小得多。這是因為擁有溫度補償特性的電容器具有較低的ESR。

請注意，當(dāng)電容器自諧振時，其阻抗表示電容器的ESR值。這是因為，在圖7中，Cap和ESL的阻抗相互抵消，最終變?yōu)榱恪?/span>

 

圖8 帶不同ESR的電容器的示例

 (5) 等效電路證明的阻抗屬性

 圖9 (a) 總結(jié)了到目前為止已經(jīng)涵蓋的內(nèi)容。

在較低頻率處的阻抗大致與理想電容器的阻抗相同。這是因為靜電電容阻抗在總阻抗值中所占比例很大，因此ESL和ESR的影響可以忽略。在這種狀態(tài)下的電容器被稱為“電容”，并且其阻抗與頻率和靜電電容成反比。

在較高頻率處的阻抗大致與ESL阻抗相同。這是因為該阻抗的比率在較高頻率下較大。在此狀態(tài)下，電容器被稱為“電感”，并且阻抗與頻率成正比。

自諧振頻率是電容器從電容切換到電感的區(qū)域，并且也是阻抗的最小點。在這種狀態(tài)下的阻抗等于ESR。

作為示例，圖9 (b) 顯示以插入等效電路中的0.1uF MLCC的代表值計算阻抗的結(jié)果。如 (a) 所示，總阻抗值遵循每個元件的阻抗。

圖9 電容器阻抗頻率特性

 

(6) 等效電路的可靠性如何？

 圖10顯示了與圖9 (b) 的示例計算重疊的1608尺寸MLCC的實際測量值。該圖表明，即使使用相對近似的常數(shù)進行計算，LCR系列等效電路 (如圖7所示) 與測量值緊密匹配，可以再現(xiàn)實際特性。

注意，為了更準(zhǔn)確地再現(xiàn)實際特性，ESR和ESL將需要根據(jù)頻率而改變。此外，在此使用MLCC用于解釋目的，如果調(diào)整ESL和ESR值，也適用于其它類型的電容器。

圖10 計算值和測量值的比較

 

(7) 什么導(dǎo)致ESL和ESR？

 如前所示，電容器的阻抗不僅受靜電電容的影響，而且在高頻下受ESL和ESR的影響。這些被稱為“寄生元件”。在許多情況下，這些元件將降低電容器的降噪效果。應(yīng)采取什么措施來減少寄生元件？

如圖11所示，

MLCC由外部和內(nèi)部電極和介電體組成。ESR背后的主要因素是這些外部和內(nèi)部電極的電阻及介電體損耗。此外，當(dāng)電流流到外部和內(nèi)部電極時，會在電容器周圍形成磁場。這種磁場是ESL背后的主要因素。

雖然降低這些寄生元件的影響并非易事，但在后面的章節(jié)中將介紹用作EMC措施的具有降低的ESL的電容器。當(dāng)電容器安裝在印刷板上時，也出現(xiàn)這些寄生元件 (這將在后面討論) 。必須小心謹(jǐn)慎地安裝電容器，以減少ESL。