电容非理想特性浅析.ppt

内容简介 一 认识电容二 电容分类三 电容作用四 电容特性五 电容应用 认识电容 什么是电容 电容 Capacitance 是表征电容器容纳电荷本领的物理量 我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量 叫做电容器的电容 一般来说 电荷在电场中会受力而移动 当导体之间有了介质 则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上 造成电荷的累积储存 最常见的例子就是两片平行金属板 电容的分类 铝电解电容器 它是由铝圆筒做负极 里面装有液体电解质 插人一片弯曲的铝带做正极制成 还需经直流电压处理 做正极的片上形成一层氧化膜做介质 其特点是容量大 但是漏电大 稳定性差 有正负极性 适于电源滤波或低频电路中 使用时 正 负极不要接反 电容的分类 钽铌电解电容器 它用金属钽或者铌做正极 用稀硫酸等配液做负极 用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成 其特点是 体积小 容量大 性能稳定 寿命长 绝缘电阻大 温度性能好 用在要求较高的设备中 电容的分类 传统的看法是钽电容性能比铝电容好 因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽 它的介电能力 通常用 表示 比铝电容的三氧化二铝介质要高 因此在同样容量的情况下 钽电容的体积能比铝电容做得更小 电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积 在容量一定的情况下 介电能力越高 体积就可以做得越小 反之 体积就需要做得越大 再加上钽的性质比较稳定 所以通常认为钽电容性能比铝电容好 电容的分类 陶瓷电容器 用陶瓷做介质 在陶瓷基体两面喷涂银层 然后烧成银质薄膜作极板制成 其特点是 体积小 耐热性好 损耗小 绝缘电阻高 但容量小 适用于高频电路 电容的分类 薄膜电容器 介质是涤纶或聚苯乙烯 涤纶薄膜电容 介质常数较高 体积小 容量大 稳定性较好 适宜做旁路电容 聚苯乙烯薄膜电容器 介质损耗小 绝缘电阻高 但温度系数大 可用于高频电路 电容的分类 云母电容器 介质损耗小 绝缘电阻大 温度系数小 适用于高频电路 纸介电容器 体积较小 容量可以做得较大 适用于低频电路 超级电容器 可以存储非常高的能量并且可以在极短的时间内释放 电力电子电容器 用来转换和控制功率的储能元件 需要处理很高的电流和很高的电压变化速率 1 隔直流 作用是阻止直流通过而让交流通过 2 旁路 去耦 为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路 3 耦合 作为两个电路之间的连接 允许交流信号通过并传输到下一级电路4 滤波 显卡上的电容基本都是这个作用 5 温度补偿 针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响 而进行补偿 改善电路的稳定性 电容的用途 6 计时 电容器与电阻器配合使用 确定电路的时间常数 7 调谐 对与频率相关的电路进行系统调谐 比如手机 收音机 电视机 8 整流 在预定的时间开或者关半闭导体开关元件 9 储能 储存电能 用于必须要的时候释放 例如相机闪光灯 加热设备等等 电容用途 说到电容 各种各样的叫法就会让人头晕目眩 旁路电容 去耦电容 滤波电容等等 其实无论如何称呼 它的原理都是一样的 即利用对交流信号呈现低阻抗的特性 这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来 Xcap 1 2 fC 工作频率越高 电容值越大则电容的阻抗越小 在电路中 如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路 就称为旁路电容 如果主要是为了增加电源和地的交流耦合 减少交流信号对电源的影响 就可以称为去耦电容 如果用于滤波电路中 那么又可以称为滤波电容 除此以外 对于直流电压 电容器还可作为电路储能 利用冲放电起到电池的作用 电容特性 对于理想的电容器来说 不考虑寄生电感和电阻的影响 那么我们在电容设计上就没有任何顾虑 电容的值越大越好 电容特性 但实际情况却相差很远 并不是电容越大对高速电路越有利 反而小电容才能被应用于高频 理解这个问题 我们首先必须了解实际电容器本身的特性 可以看到实际的电容器要比理想的电容复杂的多 除了包含寄生的串联电阻Rs ESR 串联电感Ls ESL 还有泄漏电阻Rp 介质吸收电容Cda 和介质吸收电阻Rda等 等效串联电阻Rs 电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的 当有大的交流电流通过电容器 Rs使电容器消耗能量 从而产生损耗 这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果 但对精密高阻抗 小信号模拟电路不会有太大的影响 Rs最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器 电容特性 等效串联电感Ls 电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的 像Rs一样 Ls在射频或高频工作环境下也会出现严重问题 其原因是用于精密模拟电路中的晶体管在过渡频率 Transitionfrequencies 扩展到几百兆赫或几G赫的情况下 仍具有增益 可以放大电感值很低的谐振信号 这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因 电容特性 等效并联电阻Rp 就是我们通常所说的电容器泄漏电阻 在交流耦合应用 存储应用 例如模拟积分器和采样保持器 以及当电容器用于高阻抗电路时 Rp是一项重要参数 理想电容器中的电荷应该只随外部电流变化 然而实际电容器中的Rp使电荷以RC时间常数决定的速率缓慢泄漏 电容特性 电容特性 对电容的高频特性影响最大的则是Rs和Ls 我们通常采用图中简化的实际模型 电容可以看成是一个串联的等效电路 其等效阻抗和串联谢振频率分别为 电容特性 当它在低频的情况 谐振频率以下 表现为电容性的器件 而当频率增加 超过谐振频率 的时候 它渐渐的表现为电感性的器件 也就是说它的阻抗随着频率的增加先增大后减小 等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率是 这时候 电容的容抗和感抗正好抵消 表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻Rs 电容特性 描述曲线的锐度可以用品质因素Q值来表示 即Q越大 谐振频率曲线越尖 能量衰减的越慢 它主要和ESL和ESR的比值有关Q Ls Rs 电容特性 电容特性 电容特性 电容特性 电容特性 电容特性 电容在电源完整性设计中的应用 电源噪声从表现形式上来看可以分为三类 同步开关噪声 SSN 有时被称为 i噪声 非理想电源阻抗影响 谐振及边缘效应 电容在电源完整性设计中的应用 对于一个理想的电源来说 其阻抗为零 在平面任何一点的电位都是保持恒定的 等于系统供给电压 然而实际的情况并不如此 而是存在很大的噪声干扰 甚至有可能影响系统的正常工作 电容在电源完整性设计中的应用 电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络 也可以看成是一个共振腔 在一定频率下 这些电容和电感会发生谐振现象 从而影响电源层的阻抗 随着频率的增加 电源阻抗是不断变化的 尤其是在并联谐振效应显著的时候 电源阻抗也随之明显增加 电源平面和地平面的边缘效应同样是电源设计中需要注意的问题 这里说的边缘效应就是指边缘反射和辐射现象 也可以列入EMI讨论的范畴 如果抑制了电源平面上的高频噪声 就能很好的减轻边缘的电磁辐射 通常是采用添加去耦电容的方法 电容在电源完整性设计中的应用 电源阻抗设计电源之所以波动 就是因为实际的电源平面总是存在着阻抗 这样 在瞬间电流通过的时候 就会产生一定的电压降和电压摆动 大部分数字电路器件对电源波动的要求在正常电压的 5 范围之内 为了保证每个器件始终都能得到正常的电源供应 就需要对电源的阻抗进行控制 也就是尽可能降低其阻抗 针对一个特定的电源 设计的最大电源阻抗为 电容在电源完整性设计中的应用 从上面的计算公式可以看出 随着电源电压不断减小 瞬间电流不断增大 所允许的最大电源阻抗也大大降低 而当今电路设计的趋势恰恰如此 几乎每过三年 电源阻抗就要降为原来的五分之一 电容在电源完整性设计中的应用 由于电源阻抗的要求 以往的电源总线形式已经不可能适用于高速电路 目前基本上都是采用了大面积的铜皮层作为低阻抗的电源分配系统 当然 电源层本身的低阻抗还是不能满足设计的需要 需要考虑的问题还很多 比如 芯片封装中的电源管脚 连接器的接口 以及高频下的谐振现象等等 这些都可能会造成电源阻抗的显著增加 解决这些问题的最简单也最有效的方案就是大量使用去耦电容 电容在电源完整性设计中的应用 电容并联特性及反谐振实际应用中的电容往往都是多个并联使用 因为这样可以大大降低等效的Rs和Ls 增大电容 对于多个 n 同样值的电容来说 并联使用之后 等效电容C变为nC 等效电感L变为L n 等效Rs变为R n 但谐振频率不变 电容在电源完整性设计中的应用 电容在电源完整性设计中的应用 等值电容并联特性 不同值的电容并联情况就会更为复杂 因为每个电容的谐振频率不同 当工作频率处于两个谐振频率之间时 一些电容表现为感性 另外一些表现为容性 这就形成了一个LC并联谐振电路 当处于谐振状态时 电感和电容之间进行周期性的能量交换 这样流经电源层的电流极小 电源层表现为高阻抗状态 这种现象也被称为反谐振 电容在电源完整性设计中的应用 前面提到 Q值是体现电路中能量衰减的品质因素 Q值太大