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電子工程師的自我修養 - 電容

  • 電容的基本知識 

電容器是一種能儲存電荷的容器。 電容器是一種能儲存電荷的容器。它是由兩片靠得較近的金屬片,中 它是由兩片靠得較近的金屬片,中 間再隔以絕緣物質而組成的。電容 間再隔以絕緣物質而組成的。電容器對直流電阻力無窮大,即電容器 器對直流電阻力無窮大,即電容器 具有通交隔直的作用。電容器對交 具有通交隔直的作用。電容器對交流電的阻力受交流電頻率影響,即 流電的阻力受交流電頻率影響,即 相同容量的電容器對不同頻率的交流電呈現不同的容抗..。

電容器對頻率越高的交流電的阻礙作用就越小,,即容抗小,,反之電容器 對頻率低的交流電産生的容抗大。 對頻率低的交流電産生的容抗大。對于同一頻率的交流電電。電容器 對于同一頻率的交流電電。電容器 的容量越大,容抗就越小,容量越小,,容抗就越大。

在實際電路中,通過電容的電流II總是為有限值,這意味着 du/ du/dtdt必須為有限值,也就是說,電容兩端電壓uu與tt是連續函數,而不能躍變(當函數的導數為有限值時,其函數必定連續)

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對上式從--∞到tt進行積分:

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可知電容有““記憶””電流的作用,是記憶元件

  • 電容模型

理想電容 :純電容 純電容R=1/jwC  電阻随頻率增加而變小 電阻随頻率增加而變小

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實際模型 :

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  • 容抗特性

容抗特性曲線 :

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在諧振點之前呈容性,諧振點之後呈感性,是以應盡量工作在諧振點之前。電容的諧振頻率由ESL 和電容器 共同決定,電容值或電感值越大,則諧振頻率越低,也就是電容的高頻濾波效果越差。

  • 電容分類

結構: 結構:固定電容器和可變電容器 固定電容器和可變電容器

材質材質::雲母、瓷介、紙介,電解電容器等。 雲母、瓷介、紙介,電解電容器等。常用的有陶 常用的有陶

瓷電容, 瓷電容,AlAl電解電容, 電解電容,TaTa電解電容( 電解電容(TaTa比比AlAl穩定,性能更 穩定,性能更

好,體積更小,價格要貴)而我們現在用的是多層陶瓷電 好,體積更小,價格要貴)而我們現在用的是多層陶瓷電

容容(MLCC) (MLCC)和钽和钽(Ta) (Ta)電容。

極性:極性電容比如電解電容 容值較大,濾波電容。無極性電容大多在1微法拉以下,參與諧振、偶合、選頻、限流等。

  • 特性參數

  1. 容量與誤差 :實際電容量和标稱電容量允許的最大偏差範圍。一般使用的容量  誤差有:JJ級±5%,,KK級±10%,,M級±20% 。
  2. 額定電壓值:在下限類别溫度和額定溫度之間的任一溫度下,可以連續施加在 電容器上的最大直流電壓或最大交流電壓的有效值或脈沖電壓的峰值。又稱耐壓。對于結構、媒體、容量相同的器件,耐壓越高,體積越大(一般為44、6.3 6.3、1010、1616、2525、3535、50V) 50V)。
  3. 溫度系數:在一定溫度範圍内,溫度每變化11℃,電容量的相對變化值。溫度系數越小越好。
  4. 絕緣電阻:電容兩極之間的電阻,或叫漏電電阻。漏電電阻越大越好。
  5. 損耗:在電場的作用下,電容器在機關時間内發熱而消耗的能量。這些損耗主 要來自媒體損耗和金屬損耗。通常用損耗角正切值來表示。
  6. 頻率特性:電容器的電參數随電場頻率而變化的性質。在高頻條件下工作的電 容器,由于介電常數在高頻時比低頻時小,電容量也相應減小。損耗也随頻率 的升高而增加(陶瓷電容:低頻、高頻;钽電容:直流、脈動直流)。
  • 電容的作用

切斷DC,通過AC。小信号傳輸時,常用電容作為耦合元件,大信号或強信号輸,常用變壓器作耦合元件。

吸收高頻尖峰,避免高頻自激,起穩定作用。

  • 旁路(去耦)
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電容吸收信号線上的波動電流,降低 電容吸收信号線上的波動電流,降低DCDC電流波動所形成的 電流波動所形成的波動電壓的幅值。

  • 緩沖電壓

當河水流入到湖泊中,,再讓它流出來,,那就顯得平靜而柔和了。電容--- ---湖泊(水塔作用)

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一種簡單方法來計算C值 :

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P--IC所耗散的總瓦數

U--它的最大DC供電電壓

F--它的時鐘頻率

M--IC的電源PIN 上允許電壓變化的最大百分數。

  • 低通濾波

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當w=wc=1/RC 時,H(jw)=0.707(20log0.707=3dB) 工程上把此點稱為截至頻率點。即當輸出電壓下降到它的最大的3dB以下時,就認為該頻率成分對輸出的貢獻很小。

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高通濾波

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  • 钽電容與陶瓷電容

  1. 钽電容: 钽電容:全稱钽電解電容,也屬于電解電容的一種,由于 全稱钽電解電容,也屬于電解電容的一種,由于 使用金屬钽做媒體,不需要像普通電解電容那樣使用電解 使用金屬钽做媒體,不需要像普通電解電容那樣使用電解 液,另外,钽電容不需像普通電解電容那樣使用鍍了鋁膜 液,另外,钽電容不需像普通電解電容那樣使用鍍了鋁膜 的電容紙燒制,是以本身幾乎沒有電感。钽電容的特點是 的電容紙燒制,是以本身幾乎沒有電感。钽電容的特點是 漏電流極小、儲存性良好、壽命長、耐高溫、準确度高, 漏電流極小、儲存性良好、壽命長、耐高溫、準确度高, 不過對脈動電流的耐受能力差。它被應用于大容量濾波的 不過對脈動電流的耐受能力差。它被應用于大容量濾波的 地方(低頻無源或有源濾波中),像 地方(低頻無源或有源濾波中),像CPU CPU插槽附近就可以 插槽附近就可以 看到钽電容的身影,多同陶瓷電容,電解電容配合使用或 看到钽電容的身影,多同陶瓷電容,電解電容配合使用或 是應用于電壓、電流不大的地方。 是應用于電壓、電流不大的地方。
  2. 陶瓷電容: 陶瓷電容:就是瓷介電容。其耐熱性能好,熱穩定度高, 就是瓷介電容。其耐熱性能好,熱穩定度高, 耐酸堿及各種化學溶劑的性能好,且媒體損耗小,容值穩 耐酸堿及各種化學溶劑的性能好,且媒體損耗小,容值穩 定度高,耐壓高不易被擊穿,高頻性能好。不過電容量 定度高,耐壓高不易被擊穿,高頻性能好。不過電容量 小,抗震性差。 小,抗震性差。(MLCC :多層式陶瓷電容)
  • 性能測評

  1. 測評貼片電容性能,從三個方面進行,首先是貼片電容的測評貼片電容性能,四個正常電性能,即容量Cap. 損耗損耗DF,絕緣電阻IR和耐電壓 DBV,一般産品的損耗值 DF<=2.5% ,越小越好,IR*Cap>500歐,BDV>2.5Ur. 
  2. 貼片電容的加速壽命性能,在125攝氏度環境溫度 和2.5Ur直流負載條件下,晶片應能耐直流負載條件下,晶片應能耐100 100小時不擊穿,品質好的可耐1000小時不擊穿。
  3. 産品的耐熱沖擊性能,将電容浸入300攝氏度的錫爐10秒,多做幾粒,顯微鏡下觀察是否有表面裂紋,然後可測試容量損耗并與熱沖擊前對比判别晶片是否内部裂紋。
  • 電容失效

相對電阻器而言,由于不同電容器的制作工藝和結構差異較大,電容器的失效機理要複雜得多,常見的失效模式主 要有以下幾種:擊穿、開路、電參數退化(包括電容量退化、損耗和絕緣電阻或者漏電流退化等)、漏液、開裂等。 漏液是鋁電解電容和液體钽電容器最常見的一種失效模式,瓷介電容器最常見的失效模式是開裂式。

  • 延時特性計算

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Iout=輸出電流   △V=文波電壓   f=電路頻率

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