高速PCB設(shè)計電容的應(yīng)用實例

第一部分：電容的分類

電容在電路的設(shè)計中從應(yīng)用上進(jìn)行分類，可以將電容分為四類：

第一類： AC耦合電容。主要用于Ghz信號的交流耦合。

第二類： 退耦電容。主要用于保持濾除高速電路板的電源或地的噪聲。

第三類： 有源或無源RC濾波或選頻網(wǎng)絡(luò)中用到的電容。

第四類： 模擬積分器和采樣保持電路中用到的電容。

在本文中我們將主要討論第二大類退耦電容。

電容從制造的材料和工藝進(jìn)行分類，主要有以下不同形式的電容：

1、NPO陶瓷電容器

2、聚苯乙烯陶器電容器

3、聚丙烯電容器

4、聚四氟乙烯電容器

5、MOS電容器

6、聚碳酸酯電容器

7、聚脂電容器

8、單片陶瓷電容器

9、云母電容器

10、鋁電解電容器

11、鉭電解電容器

在實際的設(shè)計中由于，價格、采購等各方面原因經(jīng)常用的電容有：陶瓷電容、鋁電解電容、鉭電容。

第二部分：電容的具體模型和分布參數(shù)

要正確合理的應(yīng)用電容，自然需要認(rèn)識電容的具體模型以及模型中各個分布參數(shù)的具體意義和作用。和其他的元器件一樣，實際中的電容與"理想"電容器不同，" 實際"電容器由于其封裝、材料等方面的影響，其就具備有電感、電阻的一個附加特性，必須用附加的"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，非線性和介電存儲性能。"實際"電容器模型如下圖所示。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。

從上面的圖我們可以看出，電容實際上應(yīng)該由六個部分組成。除了自己的電容C外，還有以下部分組成：

1、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)。這對射頻電路和載有高波紋電流的電源去耦電容器會造成嚴(yán)重后果。但對精密高阻抗、小信號模擬電路不會有很大的影響。RESR 最低的電容器是云母電容器和薄膜電容器。

2、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極板的等效電感串聯(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。其原因是用于精密模擬電路中的晶體管在過渡頻率(transition frequencies)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。這就是在高頻情況下對這種電路的電源端要進(jìn)行適當(dāng)去耦的主要原因。

3、等效并聯(lián)電阻EPR RL ：就是我們通常所說的電容器泄漏電阻，在交流耦合應(yīng)用、存儲應(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，RL 是一項重要參數(shù)，理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的RL 使電荷以RC時間常數(shù)決定的速率緩慢泄漏。

4、還是兩個參數(shù)RDA、CDA 也是電容的分布參數(shù)，但在實際的應(yīng)該中影響比較小，這里就不介紹了。所以電容重要分布參數(shù)的有三個：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、ESL，實際在分析電容模型的時候一般只用RLC簡化模型，即分析電容的C、ESR、ESL，這我們將在下周做重點分析電容的簡化模型。

5、下面我們在介紹詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，談?wù)勎覀冊O(shè)計中經(jīng)常用到兩種電容：

6、電解電容器(比如：鉭電容器和鋁電解電容器)的容量很大，由于其隔離電阻低，就是等效并聯(lián)電阻EPR很小，所以漏電流非常大 (典型值5?20nA/μF)，因此它不適合用于存儲和耦合。電解電容比較適合用于電源的旁路電容，用于穩(wěn)定電源的供電。最適合用于交流耦合及電荷存儲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)電容器。

7、單片陶瓷電容器，比較適合用于高頻電路的退耦電容，因為它們具有很低的等效串聯(lián)電感，就是等效串聯(lián)電感ESL很小，具備有很廣的退耦頻段。這和他的結(jié)構(gòu)構(gòu)成有很大的關(guān)系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。

8、這周我們談了電容的詳細(xì)的等效模型，相信大家現(xiàn)在對電容應(yīng)該有比較深的認(rèn)識了，下周我們將繼續(xù)談，我們實際分析應(yīng)用中要經(jīng)常用到的電容的簡化等效模型，和他阻抗曲線的由來和意義。

第三部分：電容的簡化模型和阻抗曲線

為了分析方便，在實際的分析應(yīng)該中經(jīng)常使用由串聯(lián)等效電阻ESR、串聯(lián)等效電感ESL、電容組成的RLC模型。因為對電容的高頻特性影響最大的則是ESR和ESL，我們通常采用下圖中簡化的實際模型進(jìn)行分析：

上面組成的RLC模型的阻抗如果用數(shù)學(xué)公式可以表示如下：

那么它的模的表達(dá)式如下：

上式就是電容的容抗隨頻率變化的表達(dá)式，如果2πfLs＝1／2πfC，那么｜Z｜min＝Rs，此時：

畫出電容的容抗的曲線的圖如下：

從上圖，我們很清楚的看出：電容在整個頻段，并非都是表現(xiàn)為電容的特性，而是在低頻的情況(諧振頻率以下)，表現(xiàn)為電容性的器件，而當(dāng)頻率增加（超過諧振頻率）的時候，它漸漸的表現(xiàn)為電感性的器件。也就是說它的阻抗隨著頻率的增加先減小后增大，等效阻抗的最小值發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率時，這時候，電容的容抗和感抗正好抵消，表現(xiàn)為阻抗大小恰好等于寄生串聯(lián)電阻ESR。

了解了上面的曲線，應(yīng)該就不難理解在實際的應(yīng)該中，我們的選擇電容標(biāo)準(zhǔn)是：

1、盡可能低的ESR電容。

2、盡可能高的電容的諧振頻率值。