PCB設(shè)計之電容篇

1.電容的結(jié)構(gòu)和特性

給導(dǎo)體加電位，導(dǎo)體就帶上電荷。但對于相同的電位，導(dǎo)體容納電荷的數(shù)量卻因它本身結(jié)構(gòu)的不同而不同。導(dǎo)體能夠容納電荷的能力稱為電容。 通常，某導(dǎo)體容納的電荷Q（庫侖）與它的電位V（伏特，相對于大地）成正比，即有， 所以，C就是該導(dǎo)體的電容量。電容的單位是法拉（F），  。

圖1 電容器的結(jié)構(gòu)和符號

如圖1（a）所示，在兩塊平行的金屬板之間插入絕緣介質(zhì)，且引出電極就成為了電容器。它的電路符號見圖1（b）所示，分別為有極性電容和無極性電容。

若給電容器充電，電容器的兩極板上就會積累電荷。如圖2（a）所示為給電容量為C的電容器以恒定電流強度I充電示意圖。假設(shè)電容器初始不帶電荷，即它兩端的初始電壓等于零。我們回憶電流的定義：電荷在導(dǎo)體內(nèi)流動形成了電流，單位時間內(nèi)流過導(dǎo)體橫截面的電荷量稱為電流強度，即有，則，又因在電容器中有，故，所以。

即電容量為C的電容器在恒定電流強度I的作用下，兩端電壓V隨時間t線性上升，上升曲線如圖2（b）所示。

圖2 給電容器恒流充電

電容器兩端的電壓越高則所容納的電荷就越多，即儲能就越大。但電容器兩極板間絕緣介質(zhì)的耐電強度是有限的，若兩極板間的電場強度太高，就可能將絕緣介質(zhì)擊穿，從而使電容器短路。因此在應(yīng)用中要兼顧電容器的耐壓。

結(jié)論：電容器在電路中有容納電荷的作用，也即存儲能量的作用。電容器存儲能量是需要時間的，因此電容器兩端電壓不能突變。且電容量越大，可存儲的能量就越多。電容器最重的兩個參數(shù)是它的電容量和耐壓。

2.RC充放電回路

圖3（a）所示電路是以一個RC充放電回路示意圖。假設(shè)電容器兩端的初始電壓為零，開關(guān)K與1端接通的瞬間，電源通過電阻R對電容器充電，此時電容器的充電電流為最大E/R，若持續(xù)以這個電流充電，則VC的上升曲線是一條線性的直線，如圖3（b）中的虛線所示。

圖3 RC充放電回路

但是因在整個充電過程中充電電流為，故隨著VC的上升，充電電流強度IC逐漸減小，則VC上升的幅度也逐漸變小，直到上升至電源電壓E，同時充電電流為0。這樣使實際的VC上升曲線如圖3（b）所示。VC是按指數(shù)規(guī)律上升的，它隨時間t變化的表達式為：

其中，為時間常數(shù)。

可以看出串聯(lián)電阻R越大，充電電流就越小，則充電時間就越長；電容量C越大，所需要的電荷就越多（即儲能越多），充電時間也就越長。

當(dāng)電容充滿電后，VC等于E。此時開關(guān)K與2端接通，則電容器通過R放電，放電電流為，VC逐漸降低。在接通2端的瞬間，放電電流為最大，但隨著VC的降低，放電電流也逐漸降低，直至VC為0V，放電電流也為0。這樣以來，電容放電時VC的下降曲線如圖1.7（c）所示。VC也是按指數(shù)規(guī)律下降的，它隨時間t變化的表達式為：

3.電容的容抗

在電路中電容有一個很重要的作用，就是通交流、隔直流。若一個直流電壓加在電容的一端，則電容穩(wěn)定后（即充放電過程完成后），在電容的另一端不能感受到這個電壓，即直流被隔開，這一點我們從RC充放電回路也可以看出來；若輸入Vi是一個交流信號，則Vo會輸出同頻率的交流信號，且輸入交流信號頻率越高，輸出Vo的幅度就越大，即交流信號通過了這個電容。

其實我們可以這樣來理解，交流信號的幅度和方向都是隨時間變化的，而電容對電壓的反應(yīng)是有隋性的，即它兩端的電壓不能突變。當(dāng)電容器一個極板的電位隨輸入信號變化較快時，電容器兩端的電壓變化較慢，則引起它的另一個極板的電位也跟著以同樣的方式變化。這樣以來，雖然有一些損失（電容兩端電壓畢竟變化了一點），但也相當(dāng)于交流信號通過了這個電容器。而且，輸入信號變化的越快（即頻率越高），電容器容量越大（即它兩端的電壓變化越慢），就越容易通過。

在電路中，電容器C對信號的容抗為：

式中f為信號的頻率，單位為赫茲，容抗XC的單位為歐姆。

4.電容的濾波作用

利用電容的特性我們可以制作濾波器。如圖4（a）所示的電路就是一個高通濾波器，即輸入信號頻率越高則越容易通過，頻率越低越不容易通過，不允許直流通過，這樣就可濾除信號中的低頻率成份。相反圖4（b）所示的電路則是一個低通濾波器，它可以濾除信號中的高頻成份。

（a）高通濾波器 （b）低通濾波器

圖4 濾波器電路

5.常用電容器的分類

電容的選取要慎重，一般可選擇較知名的電容品牌，如TDK電容、國巨電容等，作為質(zhì)量的保證。

（1）鋁電解電容

鋁電解電容為有極性電容，在電路中它的“+”極必須要接電位較高的一端。它的實物照片如圖5（a）所示。

優(yōu)點：容量大，能耐受大的脈動電流。

缺點：容量誤差大，泄漏電流大；普通電解電容器不適于在高頻和低溫下應(yīng)用，不宜使用在25kHz以上頻率。

圖5 電容實物

用途：低頻旁路、信號耦合、電源濾波。

（2）鉭電解電容

鉭電解電容也為有極性電容。實物照片如圖5（b）所示。

優(yōu)點：溫度特性、頻率特性和可靠性均優(yōu)于普通電解電容器，特別是漏電流極小，壽命長，容量誤差小，而且體積小，單位體積下能得到最大的電容電壓乘積。

缺點：對脈動電流的耐受能力差，若損壞易呈短路狀態(tài)，價格較高。

用途：在許多場合可替代鋁電解電容，用于超小型高可靠性設(shè)備中。

（3）單片陶瓷電容

是目前用量較大的電容。實物照片如圖5（c）所示。

優(yōu)點：溫度和頻率穩(wěn)定性都很好，損耗低，壽命長。

缺點：不能做成大容量電容。

用途：高頻濾波、振蕩和耦合等。