电容2——电容器的作用

　　在电子线中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。小容量的电容，通常在高频电中使用，如收音机、发射机和振荡 器中。大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。而且还有一个特点，一般1μF以上的电容均为电解电容，而1μF以下的电容多为瓷片电容，当然也有其他的， 比如独石电容、涤纶电容、小容量的云母电容等。电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正(+)、负(-)极，与其它电容器不同，它们 在电中的极性不能接错，而其他电容则没有极性。

　　把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开，两个引脚间仍然 会有残留电压(学了以后的教程，可以用万用表观察)，我们说电容器储存了电荷。电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电。充好电的 电容器两端有一定的电压。电容器储存的电荷向电的过程，称为电容器的放电。

　　电 子电中，只有在电容器充电过程中，才有电流流过，充电过程结束后，电容器是不能通过直流电的，在电中起着“隔直流”的作用。电中，电容器常被用作耦 合、旁、滤波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。那么交流电为什么能够通过电容器呢?我们先来看看交流电的特点。交流电不仅方向往复交变，它的大 小也在按规律变化。电容器接在交流电源上，电容器连续地充电、放电，电中就会流过与交流电变化规律一致的充电电流和放电电流。

　　电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。一般电解电容的耐压分档为6.3V，10V，16V，25V，50V等。

　　耦合电容：用在耦合电中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电中大量使用这种电容电，起隔直流通交流作用。

　　滤波电容：用在滤波电中的电容器称为滤波电容，在电源滤波和各种滤波器电中使用这种电容电，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。

　　退耦电容，用在退耦电中的电容器称为退耦电容，在多级放大器的直流电压供给电中使用这种电容电，退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连。

　　高频消振电容：用在高频消振电中的电容称为高频消振电容，在音频负反馈放大器中，为了消振可能出现的高频自激，采用这种电容电，以消除放大器可能出现的高频啸叫。

　　谐振电容：用在LC谐振电中的电容器称为谐振电容，LC并联和谐振电中都需这种电容电。

　　旁电容：用在旁电中的电容器称为旁电容，电中如果需要从信号中去掉某一频段的信号，可以使用旁电容电，根据所去掉信号频率不同，有全频域(所有交流信号)旁电容电和高频旁电容电。

　　中和电容：用在中和电中的电容器称为中和电容。在收音机高频和中频放大器，电视机高频放大器中，采用这种中和电容电，以消除自激。

　　定时电容：用在定时电中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电中使用定时电容电，电容起控制时间大小的作用。

　　积分电容：用在积分电中的电容器称为积分电容。在电视场扫描的同步分离级电中，采用这种积分电容电，以从行场复合同步信号中取出场同步信号。

　　微分电容：用在微分电中的电容器称为微分电容。在触发器电中为了得到尖顶触发信号，采用这种微分电容电，以从各类(主要是矩形脉冲)信号中得到尖顶脉冲触发信号。

　　补偿电容：用在补偿电中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电中，使用这种低频补偿电容电，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电。

　　自举电容：用在自举电中的电容器称为自举电容，常用的OTL功率放大器输出级电采用这种自举电容电，以通过正反馈的方式少量提升信号的正半周幅度。

　　分频电容：在分频电中的电容器称为分频电容，在音箱的扬声器分频电中，使用分频电容电，以使高频扬声器工作在高频段，中频扬声器工作在中频段，低频扬声器工作在低频段。

　　我们知道只有电解电容的正极接电源正(电时的黑表笔)，负端接电源负(电时的红表笔)时，电解电容的漏电流才小(漏电阻大)。反之，则电解电容的漏电流增加(漏电阻减小)。

　　测量时，先假定某极为“ + ”极，让其与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度(表针靠左阻值大)，然后将电容器放电(既两根引线碰一下)，两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的靠左(阻值大)的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。

　　视电解电容器容量大小，通常选用万用表的 R×10 、 R×100 、 R×1K 挡进行测试判断。红、黑表笔分别接电容器的负极(每次测试前，需将电容器放电)，由表针的偏摆来判断电容器质量。若表针迅速向右摆起，然后慢慢向左退回原位，一般来说电容器是好的。如果表针摆起后不再回转，说明电容器已经击穿。如果表针摆起后逐渐退回到某一停位，则说明电容器已经漏电。如果表针摆不起来，说明电容器电解质已经干涸推失去容量。

　　有些漏电的电容器，用上述方法不易准确判断出好坏。当电容器的耐压值大于万用表内电池电压值时，根据电解电容器正向充电时漏电电流小，反向充电时漏电电流大的特点，可采用 R×10K 挡，对电容器进行反向充电，观察表针停留处是否稳定(即反向漏电电流是否恒定)，由此判断电容器质量，准确度较高。黑表笔接电容器的负极，红表笔接电容器的正极，表针迅速摆起，然后逐渐退至某处停留不动，则说明电容器是好的，凡是表针在某一停留不稳或停留后又逐渐慢慢向右移动的电容器已经漏电，不能继续使用了。表针一般停留并稳定在 50 - 200K 刻度范围内。

　　电容在大家平时的电设计中是不可缺少的，但是很多的人都会进入一个电容使用的误区，就是电容的容值越大越好，滤波效果越好。其实并不是这样的，简单的说，就是大容值电容滤低频噪声，小容值电容滤高频噪声。

　　电容的工作的实质是充电和放电的过程。以电容不存储任何电量为初始状态，大容值的电容在电中达到与电中的电压平衡需要充入的电荷量就要多，就需要更长的时间，低频噪声能够满足其时间上的要求，但如果放在高频率噪声的电中，频率高，大容值电容的充放电反应不过来，达不到滤波的目的，这时候就要采用小容值的电容。小容值的电容，充放电时间短，能够满足滤波的目的。总之，滤波的频率随电容值的增大而减少。所以在使用时要根据自己的电的需要选取合适的容值，达到想要的滤波目的，又减少了成本。

　　在电中最常见到的电容使用方法是“去耦电容”和“旁电容”。作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

　　滤波是电容的作用中很重要的一部分。几乎所有的电源电中都会用到。从理论上(即假设电容为纯电容)说，电容越大，越小，通过的频率也越高。但实际上超过 1uF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。

　　曾有网友将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。

　　电容把电压的变动为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。注：滤波就是充电，放电的过程。

　　旁电容一般接在信号端与地之间，主要功能是产生一个交流分，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。

　　旁电容一般作为高频旁器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁电容，其电容值取决于PCB 板上的瞬态电流需求，一般在10 至470μF 范围内。若 PCB 板上有许多集成电、高速开关电和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。旁电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁被充电，并向器件进行放电。

　　注：为尽量减少，旁电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致地电位抬高和噪声。

　　去耦电容实际上是根据电容的使用的实际效果来命名的，一般接在电源线和地线之间，起作用主要有两方面：滤波作用和蓄能作用。

　　1、当电源引进电时，电源的电压不是恒定的，是处在一个相对稳定的状态，其中带有很多的噪声，如果让这些噪声进入到电中就会对电造成影响，特别是对电压的器件对电电压的稳定性要求更高，以及有用到作为参考电压的一端，影响其精确性，所以加电容能电的线性关系。（简单的理解就是电压多了我就吸收，少了我就补充，保持在一

　　2、有源器件在开关时产生高频的开关噪声，将会沿着电源线，这时电容提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在电源线的，并将噪声接引到地。

　　3、在空间中存在很多的电磁波，往往会干扰到芯片工作的稳定性，芯片周围的去耦电容能够很好的滤除这些干扰，从另一方面说，高频电中，导线产生的电感效应对电流的阻碍作

　　用是很大的，会导致电流不足，如果器件在这时候刚好就需要足够的电流驱动，就不能及时供给，这时，去耦电容中储存的能量就能及时的补充这些不足，器件正常的工作。

　　注：在电电中，去耦电容和旁电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的不同，就是称呼的不一样，旁是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源，这是他们的本质区别。

　　数字电输出高电平时从电源拉出的电流Ioh和低电平输出时灌入的电流Iol的大小一般是不同的，即：Iol＞Ioh。以下图的TTL与非门为例说明尖峰电流的形成：

　　输出电压如右图（a）所示，理论上电源电流的波形如右图（b），而实际的电源电流保险如右图（c）。由图（c）可以看出在输出由低电平转换到高电平时电源电流有一个短暂而幅度很大的尖峰。尖峰电源电流的波形随所用器件的类型和输出端所接的电容负载而异。

　　输出级的T3、T4管短设计内同时导通。在与非门由输出低电平转向高电平的过程中，输入电压的负跳变在T2和T3的基极回内产生很大的反向驱动电流，由于T3的饱和深度设计得比T2大，反向驱动电流将使T2首先脱离饱和而截止。T2截止后，其集电极电位上升，使T4导通。可是此时T3还未脱离饱和，因此在极短得设计内T3和T4将同时导通，从而产生很大的ic4，使电源电流形成尖峰电流。图中的R4正是为了此尖峰电流而设计。

　　低功耗型TTL门电中的R4较大，因此其尖峰电流较小。当输入电压由低电平变为高电平时，与非门输出电平由高变低，这时T3、T4也可能同时导通。但当T3开始进入导通时，T4处于放大状态，两管的集－射间电压较大，故所产生的尖峰电流较小，对电源电流产生的影响相对较小。

　　产生尖峰电流的另一个原因是负载电容的影响。与非门输出端实际上存在负载电容CL，当门的输出由低转换到高时，电源电压由T4对电容CL充电，因此形成尖峰电流。

　　当与非门的输出由高电平转换到低电平时，电容CL通过T3放电。此时放电电流不通过电源，故CL的放电电流对电源电流无影响。

　　一个1uF～10uF的去耦电容，滤除低频噪声；在电板内的每一个有源器件的电源和地之间放置一个0.01uF～0.1uF的去耦电容（高频滤波电容），用于滤除高频噪声。滤波的目的是要滤除叠加在电源上的交流干扰，但并不是使用的电容容量越大越好，因为实际的电容并不是理想电容，不具备理想电容的所有特性。

　　放置在有源器件傍的高频滤波电容的作用有两个，其一是滤除沿电源传导过来的高频干扰，其二是及时补充器件高速工作时所需的尖峰电流。所以电容的放置是需要考虑的。

　　实际的电容由于存在寄生参数，可等效为在电容上的电阻和电感，将其称为等效电阻（ESR）和等效电感（ESL）。这样，实际的电容就是一个谐振电，其谐振频率为：

　　实际的电容在低于Fr的频率呈现容性，而在高于Fr的频率上则呈现感性，所以电容更象是一个带阻滤波器。

　　10uF的电解电容由于其ESL较大，Fr小于1MHz，对于50Hz这样的低频噪声有较好的滤波效果，对上百兆的高频开关噪声则没有什么作用。

　　电容的ESR和ESL是由电容的结构和所用的介质决定的，而不是电容量。通过使用更大容量的电容并不能提高高频干扰的能力，同类型的电容，在低于Fr的频率下，大容量的比小容量的小，但如果频率高于Fr，ESL决定了两者的不会有什么区别。

　　电板上使用过多的大容量电容对于滤除高频干扰并没有什么帮助，特别是使用高频开关电源供电时。另一个问题是，大容量电容过多，增加了上电及热插拔电板时对电源的冲击，容易引起如电源电压下跌、电板接插件打火、电板内电压上升慢等问题。

　　对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的。容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。但是，所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。

　　还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部，由于存在去耦半径问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。

　　在安装电容时，要从焊盘拉出一小段引出线，然后通过过孔和电源平面连接，接地端也是同样。这样流经电容的电流回为：电源平面-过孔-引出线-焊盘-电容-焊盘-引出线-过孔-地平面，图2直观的显示了电流的回流径。

　　第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做，这是最糟糕的安装方式。

　　第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔，比第一种方法面积小得多，寄生电感也较小，可以接受。

　　第四种在焊盘两侧都打孔，和第三种方法相比，相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面，比第三种寄生电感更小，只要空间允许，尽量用这种方法。

　　最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是焊接是可能会出现问题，是否使用要看加工能力和方式。

　　需要强调一点：有些工程师为了节省空间，有时让多个电容使用公共过孔，任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容组合的设计，减少电容数量。

　　由于印制线越宽，电感越小，从焊盘到过孔的引出线尽量加宽，如果可能，尽量和焊盘宽度相同。这样即使是0402封装的电容，你也可以使用20mil宽的引出线。引出线所示，注意图中的各种尺寸。

　　储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为 40～450VDC、电容值在 220～150 000uF 之间的铝电解电容器(如 EPCOS 公司的 B43504 或 B43505)是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用、并联或其组合的形式， 对于功率级超过 10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

　　举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的,这样就减小了电阻产生的耦合

　　这就是常见的 R、C 构成的积分电。当输入信号电压加在输入端时，电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻(R)、电容(C)的特性通过下面的公式描述：i = (V/R)e-(t/CR)返回搜狐，查看更多