1.2 电容

本节介绍电容的功能、类型和用法。

1.2.1 功能

电容用于储存电荷。通常，电容使用两个或多个被绝缘层隔离的导电材料制成。电容的主要作用是保存能量，当电路需要能量的时候，将存储的能量再提供给电路。电容 C 定义为保存的电荷 Q 与导体之间电势差 V 的比值，表示为：C=Q/V。电容的单位为法拉（F），即：1法拉=1库伦/1伏特。在电容中存储的能量大小W _C 表示为

当电容和电阻组合在一起时，它们可用在时序电路和滤波器中。典型的，在整流电路中，电容作为电荷“池”对直流电源的变换进行平滑或者滤波。此外，它们也被用在一些放大器和信号调理电路中，这是因为电容允许通过高频的交流信号，而阻塞直流信号。

在电容中，常用的单位有F、μF、pF和nF。它们之间的关系表示为

1.2.2 有极性电容

本节介绍有极性电容，包括电解电容、钽珠电容。

1.电解电容

电解电容为有极性电容，必须连接到正确的极性。在电解电容上，使用“+”或者“-”号标记电容一端的极性。如果极性接错，将造成电解电容的损坏。典型的电解电容外观和原理符号，如图1.7所示。

有两种形式的电解电容，即轴向和径向，如图 1.8 所示。轴向电容的引线连接到每一端，径向电容的引线连接到相同的一端。

在电解电容的外壳上很容易看到电解电容的值以及额定电压。电解电容的额定电压（通常为 6 V）较低，因此在使用前必须要确认电解电容使用场合的额定电压值。对于一个具体的模拟电子系统来说，使用的电解电容的额定电压值需要大于模拟电子系统的供电电压。在很多电池供电的系统中，使用电解电容的额定电压值为25 V。

还有一种银色的表贴电容，是铝电解电容，如图 1.9 所示。上面为圆形，下面为方形。这种电容有“-”标记的一端为负。

2.钽电容

钽电容为有极性电容，其额定电压也较低，这点和电解电容类似。它们的价格偏高，但是体积很小，因此可以用在在小空间需要大容量电容值的场合。

对于现代的钽电容，在其外壳上标注了电容值和电压，如图 1.10 所示。然而，旧的色码系统有两个色带（用于表示两个数字，黑色表示 0，棕色表示 1，红色表示 2，橙色表示 3，黄色表示4，绿色表示5，蓝色表示6，紫色表示7，灰色表示8，白色表示9），一个颜色的地方用于表示零的个数（以 μF 计），使用灰色用于表示×0.01，白色用于表示×0.1，这样可以表示小于10μF的电容；在引线附近的第三个色带表示电压（黄色为6.3 V，黑色表示10 V，绿色表示16 V，蓝色表示20 V，灰色表示25 V，白色表示30 V，粉红表示35 V）。例如，

（1）蓝灰黑表示：68μF

（2）蓝灰白表示：6.8μF

（3）蓝灰灰表示：0.68μF

1.2.3 无极性电容

值很小的电容为无极性电容，可以任意连接极性。无极性电容的额定电压至少为50 V，通常是 250 V。很难找到这些小电容的值，因为有很多类型以及不同的标记系统，如图 1.11所示。

很多小的电容，在封装上印出了它们的值，但是没有乘法因子，因此需要通过读者的经验判断乘法因子。比如，0.1翻译成0.1μF=100 nF。

有时候，使用乘法因子，代替十进制点。例如：4n7翻译成4.7 nF。

在小电容值电容上使用数字编码。前面两个数字表示两个数值，第三个值表示零的个数（以pF计算）。此外，其他字母表示误差和额定电压。例如，

（1）102翻译为1000 pF=1 nF

（2）472J翻译为4700 pF=4.7 nF（J表示5%的容差）

当使用色环表示时，其颜色含义与有极性电容相同，但是以pF表示。

（1）棕黑橙：10 000pF=10 nF=0.01μF

（2）红红黄：220 000pF=220 nF=0.22μF

1.2.4 聚苯乙烯电容

现在，这种电容很少使用。它们的值以 pF 为单位计算。当环境过热时，这种电容容易损坏，因此需要使用散热片。

1.2.5 真实的电容值

读者可能注意到，不是所有的电容值都可用，比如有 22μF 和 47μF，但是没有 25μF和50μF。

为什么呢？假定读者决定制造电容以 10μF 为间隔，给出 10、20、30、40、50 等等。这看上去没问题，但是到 1000 后会发生什么呢？制造 1000，1010、1020，1030……这是毫无意义的，因为对于这些值来说 10 的间隔太小，当差值太小时，在很多电路中都可以忽略，并且也制造不出这样的精度。

如果想制造出合理方位的电阻值，读者就需要在增加值的时候增加“步长”。标准的电容值就是基于这个思想，即

（1）E3 系列（3 个电容值/10 倍），比如 10，22，47，然后就是 100，220，470，1000，2200，4700和10000等。

从上面可知，当值增加的时候，步长也相应增加（步长大约倍增）。

（2）E6 系列（6 个电容值/10 倍），比如 10，15，22，33，47，68，然后 100，150，220，330，470，680和1000等。

1.2.6 电容的寄生效应

为一个特定的电路选择正确的电容类型并不是一件很困难的事情。通常，可以将电容的使用归结为以下四个方面。

（1）交流耦合，包括旁路（通过交流阻止直流），如图1.12（a）所示。

（2）去耦。过滤交流或者直流上所添加的高频，或者电源、参考源和信号电路上的低频，如图1.9（b）所示。

（3）有源/无源RC滤波器或者选频网络，如图1.12（c）所示。

（4）模拟积分器和采样—保持电路（采样和存储电荷），如图1.12（d）所示。

尽管读者会发现有很多电容类型，但是在一个特殊应用中只有一两种电容类型适合。不像理想电容，实际的电容存在寄生/非理想的元件或者行为，它们以电阻和电感元件、非线性和介质存储的形式存在，如图 1.13 所示。在电容制造厂商提供的数据手册中，给出了这些“寄生元件”产生的最终结果。理解这些寄生参数在每个应用中的效果将帮助读者正确地选择电容类型。

从图中可知，模型包括泄露（并联电阻）、等效串联电阻（equivalent series resistance，ESR）、等效串联电感（equivalent series inductance，ESL）和介质吸收（存储器）。

（1）电容泄露，R _L 。在交流耦合应用和存储应用中，泄露是重要的参数。例如，模拟积分器和采样—保持，以及在高阻电路中使用电容。

在理想电容中，电荷 Q 只响应外部电流。然而，在一个真实的电容中，泄露电阻将允许电容上的电荷以RC所确定的时间常数泄露。

电解类型的电容（钽/铝）电容值很高，并且由于较差的隔离电阻，因此有很高的漏电流（典型的，5～20 nA/μF）。因此，不适合用于保存或耦合应用。

用于保存/耦合应用最好的选择是特氟龙（聚四氟乙烯）和其他聚乙烯类型（聚丙烯、聚苯乙烯等）。

（2）等效串联电阻（ESR），R _ESL 。电容模型上的等效串联电阻是电容引线电阻与电容器极板等效电阻的串联。当交流电流过大时，ESR使得电容消耗功率，产生损耗。在射频以及去耦电容存在高纹波电流时，有很严重的影响。但在高精度、高阻抗、低电平模拟电路中的影响不大。

包含最低ESR的电容有云母和膜类型。

（3）等效串联电感（ESL），L _ESL 。电容模型上的等效串联电感是电容引线电感与电容极板等效电感的串联。类似ESR，ESL对高频应用也会产生严重的影响，甚至在精密电路本身工作在直流或者低频时。这是因为在精密电路中使用的晶体管可以使增益延伸到几百 MHz的过渡频率（F _t ），甚至几个 GHz，可以对包含低值的共振进行放大。因此，这使得对工作高频的供电电源进行正确的去耦非常关键。

ESR和ESL对于电容器频率响应的影响，如图1.14所示。对于高频电路去耦，电解电容、纸或者塑料膜电容都不是一个好的选择。这是因为它们基本上由被塑料或者纸电解质隔离的两片金属箔缠绕构成。这种结构本身就有很大的自电感，与电容相比，在频率只有几MHz时，更像一个电感。

对于高频去耦的合适选择是单片陶瓷类型的电容，这种电容的 ESL 值很低。这种电容由多层夹层的金属膜和陶瓷介质构成。

由于泄露、ESR 和 ESL 总是很难单独说明，因此很多制造厂商总是将它们整成一个规格，称为耗散因数（dissipation factor，DF）。DF定义为耗散功率/周期与保存的能量/周期的比值。实际中，DF 等于用于电解质的功率因素，或者相位角的余弦值。如果高频的耗散主要建模为串行电阻，则在感兴趣的关键频率，ESR与总的容抗的比值是对DF的最好估计，即

DF也等效于电容品质因数Q的倒数，它有时也包含在厂商的手册中。

（4）介质吸收，RDA、CDA。单片陶瓷电容对于高频有很好的作用，但是它们有很大的介质吸收，使得它们并不适合用于作为采样—保持放大器（sample-hold amplifier，SHA）的电容。介质吸收是指一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷，如图 1.15 所示。由于恢复的电荷是它以前电荷的函数，实际上，这是一个电荷存储器，将引起任何SHA产生误差，在SHA中电容作为保持电容使用。

适合这种应用的电容包括前面提到的聚乙烯类型的电容，比如聚苯乙烯、聚丙烯或者特氟龙。这种类型的电容有较低的介质吸收，典型值＜0.01%。

小提示

一种确保模拟电路在低频和高频时都能充分去耦的方法，使用一个电解类型的电容，比如钽电容与一个单片（贴片）陶瓷电容并联。在低频，这种组合有很高的电容，并且将在高频维持容性。通常，不需要为每个集成电路放置一个钽电容（除了比较苛刻的情况外）。

另一个需要记住的事情是，高频去耦是真实的电容布局。即使很短的线都会有很大的电感，因此，高频去耦电容要尽可能地靠近集成电路芯片，确保引线足够短。理想的高频去耦电容应该是贴片器件。

1.2.7 寄生电容

前面讨论了电容的寄生效应，下面讨论另一种形式的寄生，称为寄生电容。

由于在一个平行极板电容中，当两个导体互相靠近时，会生成寄生电容，它们之间并没有短路，如图1.16所示。

寄生电容值C表示为：

式中：（1）E _R 为相对于空气的介电常数。

（2）A为平行导体的面积，单位：mm ² 。

（3）d为平行导体的距离，单位：mm。

典型的，在一个PCB板中，两个平行的布线，或者是一个PCB板不同层之间的布线或者平面之间都会产生寄生电容，如图1.17（a）和图1.17（b）所示。当在高频时，寄生电容效应就会出现，频率越高越明显。但是，在对电路建立模型时很容易忽略这个问题，因此当构建及装配系统电路时会产生严重的问题。典型的问题包括较大的噪声、频率响应降低，甚至不稳定等。

如果将上面的电容公式应用到 PCB 板的不同侧，则对于常用的 PCB 材料来说，E _R =4.7，当 d=1.5mm 时，在 PCB 板不同侧导体之间的寄生电容在 3 pF/cm ² 以下。在频率为 250 MHz 时，3 pF 对应的电抗为 212.2Ω。在实际中，去除寄生电容几乎不可能，最好的方法是减少寄生耦合效应。减少寄生耦合效应的一种方法就是使用法拉第屏蔽，即在耦合信号和受影响的电路之间增加屏蔽层。

一个等效电路，如图1.18所示。图中V _N 表示高频噪声源，Z ₁ 为电路阻抗。通过寄生电容C，噪声耦合到电路中。因此，在电路阻抗上表现的噪声电压V _COUPLED 表示为：

如果不控制V _N 以及电路阻抗Z ₁ 的位置，则最好的解决方法是增加屏蔽层，如图1.19所示。从图中可知，法拉第屏蔽切断了耦合电场；屏蔽使得噪声和耦合电流返回到源，而没有流经电阻阻抗Z ₁ 。

容性耦合的另一个例子就是侧面仟焊的陶瓷集成电路封装，如图1.20所示。

这些DIP封装有一个小的方形的金属伐盖，将它焊到陶瓷封装顶部的一个金属圈上。封装制造商只提供了两种选项，即将金属圈连接到封装某个顶点的引脚上，或者悬空。大多数的逻辑电路在芯片的某个顶点位置有一个地引脚。但是，很多模拟电路在封装顶点没有地引脚，因此伐盖悬空，与采用塑料DIP封装的集成电路相比，更容易受到电场噪声干扰。

为解决这个问题，就需要将金属伐盖接地，将一个线焊接到伐盖上。如果不能这样做，则使用接地的磷青铜夹实现与地的连接，或者使用导电涂料连接到地。

1.2.8 不同类型电容比较

对于不同类型的电容特性及用法，如表1.4所示。