高速PCB設(shè)計(jì)中電容的作用

第一部分：電容的分類

　　電容在電路的設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)際的設(shè)計(jì)中由于，價(jià)格、采購(gòu)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(shí)電容的具體模型以及模型中各個(gè)分布參數(shù)的具體意義和作用。和其他的元器件一樣，實(shí)際中的電容與"理想"電容器不同，" 實(shí)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(gè)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(chǔ)性能。"實(shí)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(xiàng)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(shí)際上應(yīng)該由六個(gè)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(gè)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(duì)射頻電路和載有高波紋電流的電源去耦電容器會(huì)造成嚴(yán)重后果。但對(duì)精密高阻抗、小信號(hào)模擬電路不會(huì)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(gè)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(huì)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(hào)。這就是在高頻情況下對(duì)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(chǔ)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(shí)，RL 是一項(xiàng)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(shí)際電容器中的RL 使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的速率緩慢泄漏。

　　4、還是兩個(gè)參數(shù)RDA、CDA 也是電容的分布參數(shù)，但在實(shí)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(gè)：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、ESL，實(shí)際在分析電容模型的時(shí)候一般只用RLC簡(jiǎn)化模型，即分析電容的C、ESR、ESL，這我們將在下周做重點(diǎn)分析電容的簡(jiǎn)化模型。

　　5、下面我們?cè)诮榻B詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，談?wù)勎覀冊(cè)O(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)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?yàn)樗鼈兙哂泻艿偷牡刃Т?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(duì)電容應(yīng)該有比較深的認(rèn)識(shí)了，下周我們將繼續(xù)談，我們實(shí)際分析應(yīng)用中要經(jīng)常用到的電容的簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型和阻抗曲線

　　為了分析方便，在實(shí)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?yàn)閷?duì)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(jiǎn)化的實(shí)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(shí)：

　　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(gè)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(shí)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(shí)，這時(shí)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(shí)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。