电容学习笔记

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定义

两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。

电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中起着重要的作用。晶体管收音机的调谐电路要用到它，彩色电视机的耦合电路、旁路电路等也要用到它。

分类

根据内部结构可将电容分为：固定电容，可变电容，微调电容。
根据介质材料可将电容分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容。
根据电容极性可将电容分为：有极性电容和无极性电容。 我们最常见到的就是电解电容。
根据实际用途可将电容分为：电容在电路中具有隔断直流电，通过交流电的作用，因此常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐等。

内部结构

1）固定电容
固定电容就是电容量固定的电容器。电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。

2）可变电容
从变电容，即可变电容器，是电容量可在一定范围内调节的电容器。

电容量可在一定范围内调节的电容器称为可变电容器。可变电容器容量的改变是通过改变极片间相对的有效面积或片间距离改变时，它的电容量就相应地变化。一般由相互绝缘的两组极片组成：固定不动的一组极片称为定片，可动的一组极片称为动片。几只可变电容器的动片可合装在同一转轴上，组成同轴可变的电容器（俗称双联、三联等）。可变电容器都有一个长柄，可装上拉线或拨盘调节。通常在无线电接收电路中作调谐电容器用。

可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。空气介质可变电容体积大，损耗小，多用在电子管收音机中。聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的，体积小，多用在晶体管收音机中。

3）微调电容
让两极板的距离，相对位置或面积可调的一种电路调节原件，它的中间填充介质有空气,陶瓷 云母薄膜等，主要用来调整谐振频率。

微调电容又叫可调电容：可调电容顾名思义就是可以调节电容容量大小的电容器。可调电容又叫微调电容，微变电容，可变电容等。在实际的电路应用中又根据其封装方式的不同分为贴片可调电容（SMD），插件可调电容（DIP）；根据制造材料的不同又可分为陶瓷可调电容，PVC可调电容，空气可调电容等。

实际用途

1）通交隔直

2）旁路（去耦）

旁路电容：旁路电容，又称为退耦电容，是为某个器件提供能量的储能器件，它利用了电容的频率阻抗特性（理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低），就像一个水塘，它能使输出电压输出均匀，降低负载电压波动。旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚，这是阻抗要求，在画PCB时候特别要注意，只有靠近某个元器件时候才能抑制电压或其他输信号因过大而导致的地电位抬高和噪声，说白了就是把直流电源中的交流分量，通过电容耦合到电源地中，起到了净化直流电源的作用。如图C1为旁路电容，画图时候要尽量靠近$C_1$。

去藕电容：去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定，去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取$0.1\mu F$、$0.01\mu F$等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是$10\mu F$或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。如图$C_3$为去耦电容。

它们的区别：旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

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。


用电容做耦合的元件，是为了将前级信号传递到后一级，并且隔断前一级的直流对后一级的影响，使电路调试简单，性能稳定。

如果不加电容交流信号放大不会改变，只是各级工作点需重新设计，由于前后级影响，调试工作点非常困难，在多级时几乎无法实现。

4）滤波
对电路来说，滤波的重要性不言而喻。滤波离不开电容或电感，因为它们都有能量存储功能，滤波就是利用它们这种功能来实现的。

二极管的压降忽略不计。当$u_2$为正半周时，二极管导通，并且对电容$C$进行充电和对负载$R_L$进行供电。电容电压$u_c$随着$u_2$的规律升到最大，$u_2$达到最大时开始下降，但是电容仍在充电，此时电容电压$u_c$大于$u_2$，此时二极管处在截至状态。由于二极管截至，电容电压$u_c$放电开始放电，并为负载$R_L$供电，此时电容放电的规律遵从指数变化。当电容电压$u_c$小于$u_2$时，二极管导通，$u_2$继续对电容C进行充电和对负载$R_L$进行供电，周而复始。电容不断重复着充电和放电的过程，使得输出脉动电压减小。

电容滤波的好坏取决于电容的放电时间。放电时间越长，输出电压就越平稳，滤波效果就越好。那么放电时间和时间常数有关，时间常数为$R_{L}C$，在$R_L$唯一的情况下，电容越大滤波效果越好。

这里还有一个脉动电压的概念。脉动电压是指方向不变、大小随时间作周期性变化的电压。电视机电路中就存在脉动电压。

在开关电源之中，电压或电流的幅值和平均值最直观，因此，我们用电压或电流的基波幅值与其平均值之比，称为脉动系数。

$脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量$

半波整流输出电压的脉动系数为$S=1.57$，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数$S\approx O.67$。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数$S=\frac{1}{4}(\frac{R_{L}C}{T}-1)$。（$T$为整流输出的直流脉动电压的周期）。

RC-π型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图1虚线框即为加的一级RC滤波电路。若用$S^{\prime }$表示$C_1$两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数$S=\frac{1}{\omega C_{2}R}{S}^{\prime }$。

由分析可知，在$\omega$值一定的情况下，$R$愈大，$C_2$愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而$R$值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大$C_2$的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。

为了解决这个矛盾，于是常常采用有源滤波电路，也被称作电子滤波器。电路如图2。它是由$C_1、R、C_2$组成的π型RC滤波电路与有源器件——晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。由图2可知，流过$R$的电流$I_R=I_E(1+\beta )=I_{R_L}(1+\beta )$。流过电阻$R$的电流仅为负载电流的$\frac{1}{1+\beta }$。所以可以采用较大的$R$，与$C_2$配合以获得较好的滤波效果，以使$C_2$两端的电压的脉动成分减小，输出电压和$C_2$两端的电压基本相等，因此输出电压的脉动成分也得到了削减。

从$R_L$负载电阻两端看，基极回路的滤波元件$R、C_2$折合到射极回路，相当于$R$减小了$1+\beta$倍，而$C_2$增大了$1+\beta$倍。这样所需的电容$C_2$只是一般RC-π型滤波器所需电容的$1/\beta$，比如晶体管的直流放大系数$\beta =50$，如果用一般RC-π滤波器所需电容容量为$1000\mu F$，如采用电子滤波器，那么电容只需要$20\mu F$就满足要求了。采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果，因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。

容抗的计算公式为：
$$X_c=\frac{1}{2\pi fc}$$
式中$X_c$表示容抗，电容用$C(F)$表示，交流电频率用$f(Hz)$表示。

电容的容抗越小，越容易通过交流信号；所以理论情况上，电容越大，滤波效果越好；

但是实际上，小电容接近于纯电容；但是超过$1\mu F$的大电容，一般为电解电容，里面还有电感成分；这里面就涉及到感抗；

感抗的计算公式为：
$$X_L=\frac{1}{2\pi fL}$$
式中$X_L$表示感抗，电感用$L(H)$表示，交流电频率用$f(Hz)$表示。

当$f$为低频时，$C$越大，$X_c$越小；所以大电容比小电容更容易滤波；

当$f$为高频时，$X_c$由于电感成分的原因，很大；这个时候，小电容要比大电容更容易滤波；

所以得出了一个结论：大电容滤低频信号，小电容滤高频信号。

我们经常看见有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，大的电容通低频，小电容通高频，这样才能充分滤除高低频。，如图$C_2$。

5）电容补偿
温度补偿
电容的温度补偿功能主要是针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，从而通过电容进行补偿，改善电路的稳定性。

由于定时电容的容量决定了行振荡器的振荡频率，所以要求定时电容的容量非常稳定，不随环境湿度变化而变化，这样才能使行振荡器的振荡频率稳定。因此采用正、负温度系数的电容释联，进行温度互补。

将具有正温度系数的电容和负温度系数的电容并联，当温度升高（降低）时，一个电容容量增大，一个电容容量减小，所以并联之后的电容总容量和变化之前的总容量相同，就完成了补偿的作用。

电压补偿
由于电源存在内阻，电源输出电压就会下降，由于电容的两端要维持原来的电压，也就是电容内的电量要流出一部分，延缓了电压的下降趋势。

无功补偿
电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。其无功补偿的原理是把具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷并联在同一电容器上,能量在两种负荷间相互转换。这样,电网中的变压器和输电线路的负荷降低,从而输出有功能力增加。在输出一定有功功率的情况下,供电系统的损耗降低。比较起来电容器是减轻变压器、供电系统和 工业 配电负荷的最简便、最经济的方法。因此,电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。当前,采用并联电容器作为无功补偿装置已经非常普遍。

6）计时
电阻和电容计时比较麻烦一点，如果是电容和电感就好办了，只要计算他们的谐振频率既可以了。

电阻$R$和电容$C$串联接入输入信号$V_I$，由电容$C$输出信号$V_0$，当$RC(\tau )$数值与输入方波宽度$t_w$之间满足：$\tau >>t_w$ （一般至少为10倍以上），这种电路称为积分电路。这种电阻和电容配合使用可以确定电路的时间常数。

在电容$C$两端（输出端）得到锯齿波电压，如图6所示：

1. 当$t=t_1$时
   $V_i$由$0->V_m$，因为电容两端的电压不能突变，所以此时$V_o=V_c=0$；
2. $t_1<t<t_2$时
   电容开始充电，$V_c$按照指数规律上升，$V_i=V_c+V_R$。由于$\tau >>t_w$, 电容充电非常缓慢。
3. $t=t_2$时
   $V_i$由$V_m\to 0$，相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负电压$V_i(V_i<V_m)$，这是因为$\tau >>t_w$，即充电时间很长，使得充电电压未来得及充到$V_m$最大电压，就开始放电了，经$R$缓慢放电，$V_o(V_c)$按指数规律下降。 这里的$\tau$就是时间常数。

这样，输出信号就是锯齿波，近似为三角形波，$\tau >>t_w$是本电路必要条件，因为他是在方波到来期间，电容只是缓慢充电，$V_c$还未上升到$V_m$时，方波就消失，电容开始放电，以免电容电压出现一个稳定电压值，而且$\tau$越大，锯齿波越接近三角波。输出波形是对输入波形积分运算的结果，他是突出输入信号的直流及缓变分量，降低输入信号的变化量。这样的积分电路配合施密斯触发器的应用便可以得到标准矩形波的延时电路。

7）调谐
调谐电容：连接在谐振电路的振荡线圈两端，起到选择振荡频率的作用，在需要选择频率的场合，用改变电路中的电容值的方法改变电路的谐振频率，比如收音机、电视机、对讲机等的选台。

调谐：即调节一个振荡电路的频率使之与另一个正在发生振荡的振荡电路或电磁波发生谐振。

收音机的调谐电路用到电容，线圈和磁棒。磁棒上有二组线圈，主线圈和副线圈，它的原理相当于变压器，在天空中任何一个位置都有不同频率的电磁波，譬如各省市电视台发射的电视信号，各省市广播电台发射的信号，还有很多数不清的电磁波，磁棒能够接收到这些交流无线信号通过主线圈接收感应到副线圈然后通过三极管放大，这时的线圈各种信号都有我们很难分清喇叭在说什么，主线圈和可变电容器组成调谐电路，改变电容容量来改变谐振频率使输出的信号每一个都保持最强，同时感应到磁棒副线圈的信号也最强，每一个广播电台信号都有一个固定频率，因此改变可变电容就能收到相对应的广播节目信号。

典型输入调谐电路
图2-82所示是典型的输入调谐电路。电路中$L_1$是磁棒天线的一次绕组，$L_2$是磁棒天线的二次绕组。$C1-1$是双联可变电容器的一个联，为天线联。$C_2$是高频补偿电容，为微调电容器，它通常附设在双联可变电容器上。

磁棒天线中的$L_1$、$L_2$相当于一个变压器，其中$L_1$是一次绕组，$L_2$是二次绕组，$L_2$输出$L_1$上的信号。

由于磁棒的作用，磁棒天线聚集了大量的电磁波。由于天空中的各种频率电波很多，为了从众多电波中选出所需要频率的电台高频信号，需要用到输入调谐电路。分析输入调谐电路工作原理的核心是掌握$LC$串联谐振电路特性。

输入调谐电路工作原理：磁棒天线的一次绕组$L_1$与可变电容器$C1-1$、微调电容器$C_2$构成$LC$串联谐振电路。当电路发生谐振时$L_1$中能量最大，即$L_1$两端谐振频率信号的电压幅度远远大于非谐振频率信号的电压幅度，这样通过磁耦合从二次绕组$L_2$输出的谐振频率信号幅度为最大。

重要提示
输入调谐电路采用了串联谐振电路，这是因为在这种谐振电路中，在电路发生谐振时绕组两端的信号电压升高许多（这是串联谐振电路的一个重要特性），可以将微弱的电台信号电压大幅度升高。

在选台过程中，就是改变可变电容器$C1-1$的容量，从而改变输入调谐电路的谐振频率，这样只要有一个确定的可变电容容量，就有一个与之对应的谐振频率，绕组$L_2$就能输出一个确定的电台信号，达到调谐之目的。

实用输入调谐电路
下图所示为实用输入调谐电路。

在掌握了前面的输入调谐电路工作原理之后，分析这一电路就相当简单。电路中，$B_1$为磁棒天线，$C_{1a}$为微调电容器，$C_{1a.b}$是调谐联。磁棒天线的一次绕组与$C_{1a.b}$、$C_{1a}$构成$LC$串联谐振电路，用来进行调谐，调谐后的输出信号从二次绕组输出，经耦合电容$C_2$加到后级电路中，即加到变频级电路中。

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。

电容的储能，即电容在一定时间内做的功，得出如下公式：
$$P=u\ast i=C\ast u\ast \frac{du}{dt}$$
$$W=P\ast t={\int }_{-\infty }^{t}C\ast u\ast \frac{du}{dt}=(1/2)\ast C\ast U^2$$
即电容的储能与电容两端电压和电容容值成正比。

电路中电容作用整理

电容分类	作用
耦合电容	用在耦合电路中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路，起隔直流通交流作用。
滤波电容	用在滤波电路中的电容器称为滤波电容，在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。
退耦电容	用在退耦电路中的电容器称为退耦电容，在多级放大器的直流电压供给电路中使用这种电容电路，退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连。$\sim$$\pm 20$%
高频消振电容	用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容，在音频负反馈放大器中，为了消振可能出现的高频自激，采用这种电容电路，以消除放大器可能出现的高频啸叫。
谐振电容	用在LC谐振电路中的电容器称为谐振电容，LC并联和串联谐振电路中都需这种电容电路。
稳频电容	在振荡电路中，起稳定振荡频率的作用。
加速电容	接在振荡器反馈电路中，使正反馈过程加速，提高振荡信号的幅度。
缩短电容	在UHF高频头电路中，为了缩短振荡电感器长度而串接的电容。
克拉泼电容	在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈串联的电容，起到消除晶体管结电容对频率稳定性影响的作用。
锅拉电容	在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈两端并联的电容，起到消除晶体管结电容的影响，使振荡器在高频端容易起振。
稳幅电容	在鉴频器中，用于稳定输出信号的幅度。
旁路电容	用在旁路电路中的电容器称为旁路电容，电路中如果需要从信号中去掉某一频段的信号，可以使用旁路电容电路，根据所去掉信号频率不同，有全频域（所有交流信号）旁路电容电路和高频旁路电容电路。
中和电容	用在中和电路中的电容器称为中和电容。在收音机高频和中频放大器，电视机高频放大器中，采用这种中和电容电路，以消除自激。
定时电容	用在定时电路中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用。
积分电容	用在积分电路中的电容器称为积分电容。在电视场扫描的同步分离级电路中，采用这种积分电容电路，以从行场复合同步信号中取出场同步信号。
微分电容	用在积分电路中的电容器称为积分电容。在电视场扫描的同步分离级电路中，采用这种积分电容电路，以从行场复合同步信号中取出场同步信号。
补偿电容	用在补偿电路中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电路中，使用这种低频补偿电容电路，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电路。
自举电容	用在自举电路中的电容器称为自举电容，常用的OTL功率放大器输出级电路采用这种自举电容电路，以通过正反馈的方式少量提升信号的正半周幅度。
分频电容	在分频电路中的电容器称为分频电容，在音箱的扬声器分频电路中，使用分频电容电路，以使高频扬声器工作在高频段，中频扬声器工作在中频段，低频扬声器工作在低频段。
衬垫电容	与谐振电路主电容串联的辅助性电容，调整它可使振荡信号频率范围变小，并能显著地提高低频端的振荡频率。适当地选定衬垫电容的容量，可以将低端频率曲线向上提升，接近于理想频率跟踪曲线
预加重电容	为了避免音频调制信号在处理过程中造成对分频量衰减和丢失，而设置的RC高频分量提升网络电容。
去加重电容	为恢复原伴音信号，要求对音频信号中经预加重所提升的高频分量和噪声一起衰减掉，设置在RC网络中的电容。
移相电容	用于改变交流信号相位的电容。
反馈电容	跨接于放大器的输入与输出端之间，使输出信号回输到输入端的电容。
降压限流电容	串联在交流电回路中，利用电容对交流电的容抗特性，对交流电进行限流，从而构成分压电路。
逆程电容	用于行扫描输出电路，并接在行输出管的集电极与发射极之间，以产生高压行扫描锯齿波逆程脉冲，其耐压一般在1500V以上。
S校正电容	串接在偏转线圈回路中，用于校正显像管边缘的延伸线性失真。
自举升压电容	利用电容器的充、放电储能特性提升电路某点的电位，使该点电位达到供电端电压值的倍。
消亮点电容	设置在视放电路中，用于关机时消除显像管上残余亮点的电容。
软启动电容	一般接在开关电源的开关管基极上，防止在开启电源时，过大的浪涌电流或过高的峰值电压加到开关管基极上，导致开关管损坏。
启动电容	串接在单相电动机的副绕组上，为电动机提供启动移相交流电压。在电动机正常运转后与副绕组断开。
运转电容	与单相电动机的副绕组串联，为电动机副绕组提供移相交流电流。在电动机正常运行时，与副绕组保持串接。

各类电容总结

二十种电容分类详解！

电容内部特点

电容的基本原理

电容，和电感、电阻一起，是电子学三大基本无源器件；电容的功能就是以电场能的形式储存电能量。

如上图所示，在两块距离较近、相互平行的金属平板上(平板之间为电介质)加载一个直流电压；稳定后，与电压正极相连的金属平板将呈现一定量的正电荷，而与电压负极相连的金属平板将呈现相等量的负电荷；这样，两个金属平板之间就会形成一个静电场，所以电容是以电场能的形式储存电能量，储存的电荷量为$Q$。

电容储存的电荷量$Q$与电压$U$和自身属性(也就是电容值$C$)有关，也就是$Q=U\ast C$。根据理论推导，平行板电容器的电容公式如下：
$$C=\frac{\epsilon S}{d}$$
其中$C$为电容值，单位$F$；$\epsilon$为介质的介电常数，单位$F/m$；$S$为金属平板的面积，$m^2$；$d$为金属平板的间距，$m$；

理想电容内部是介质(Dielectric)，没有自由电荷，不可能产生电荷移动也就是电流，那么理想电容是如何通交流的呢？

通交流
电压可以在电容内部形成一个电场，而交流电压就会产生交变电场。根据麦克斯韦方程组中的全电流定律：
$$\nabla H=J+\frac{\partial D}{\partial t}=\epsilon \frac{\partial E}{\partial t}$$
即电流或变化的电场都可以产生磁场，麦克斯韦将$\epsilon (\partial E/\partial t)$定义为位移电流，是一个等效电流，代表着电场的变化。(这里电流代表电流密度，即$J$)

设交流电压为正弦变化，即：
$$u=Ucos\omega t$$
实际位移电流等于电流密度乘以面积：
$$i=\epsilon \frac{\partial E}{\partial t}S=\epsilon \frac{s}{d}\frac{\partial U}{\partial t}=-\frac{U}{\frac{1}{\omega C}}sin\omega t$$
根据上述推导出的电容电压和电流的公式，也可以看出电容的电流超前电压 90° 的相位

所以电容的容抗为$\frac{1}{\omega C}$，频率很高时，电容容抗会很小，也就是通高频。

隔直流
直流电压不随时间变化，位移电流$\epsilon (\partial E/\partial t)$为$0$，直流分量无法通过。

高频等效模型

以上分析均是基于理想电容的情况，即不考虑寄生电感和电阻的情况。实际电容的特性都是非理想的，有一些寄生效应；因此，需要用一个较为复杂的模型来表示实际电容，常用的等效模型如下：

电容的高频等效模型：由电阻、电感、电容三部分构成。

1.由于介质都不是绝对绝缘的，都存在着一定的导电能力；因此，任何电容都存在着漏电流，以等效电阻Rleak表示；也叫泄露电阻。
2.电容器的导线、电极具有一定的电阻率，电介质存在一定的介电损耗；这些损耗统一以等效串联电阻ESR表示；
3.电容器的导线存在着一定的电感，在高频时影响较大，以等效串联电感ESL表示；
4.另外，任何介质都存在着一定电滞现象，就是电容在快速放电后，突然断开电压，电容会恢复部分电荷量，以一个串联RC电路表示。
5.大多数时候，主要关注电容的ESR和ESL。

先说一下 ESR，纯粹的容性负载是不消耗功率的，而由于 ESR 的存在，电容会做功，从而导致温度上升。

图中，$10uF$的电容被表示成$10uF+10\Omega （ESR）$，没考虑$ESL$。为了说明$ESR$的影响，将$ESR$阻值扩大到$10\Omega$。看到$ESR$上是有电压，这就会做功和发热。

对于ESR的存在，其所产生的弊端会使实际电容特性偏离理想电容特性，理想电容为了维持两端电压不变，会释放或吸收大电流，而ESR的存在，会导致大电流∆I产生尖峰电压：
$$\Delta V=\Delta I\ast ESR$$

ESR的存在所产生的电压会在电源输出滤波电路中引入额外的纹波电压，因此，电容ESR不能选择过大，而部分电源需要依靠输出电容ESR造成的$\Delta V$形成快速反馈来稳定电压，因此，ESR的选取需要依靠实际电路来。

ESL和ESR的存在都会导致电容性能的一些改变。
ESL对电容的影响主要发生在高频阶段，电容电感阻抗计算公式分别为：
$$Z_c=\frac{1}{j\omega C}；Z_L=j\omega L$$
对于实际电容，当频率较低时，主要是电容起作用，阻抗主要为容抗，因此在低频阶段，随着频率的增高，电容的阻抗减小。而当频率高时，寄生电感的感抗无法忽略，寄生电感开始起主要作用，并且受此影响，电容的阻抗开始随频率增加而增加，这一点，与理想电容是不一样的，理想电容的阻抗特性是随频率的增加而不断较小，而实际电容的频率特性如下：

如上图某品牌$10nF$电容的实际阻抗随频率变化的特性曲线，从图中可知，当$f=100M$时，电容的阻抗最小，此时值为ESR值，当$f＜100MHz$时，阻抗满足理想电容模型，而当$f＞100MHz$时，阻抗变化与电感特性一致，$100MHz$的变化点即为实际电容的自谐振点，因此，实际电容的使用需根据频率要求进行选型。
$$Self-Resonant-Frequency=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{1}{ESL\ast C}}$$

电容指标

标称电容量和允许偏差

标称电容量是标志在电容器上的电容量。
电容器的基本单位是法拉(F)，但是，这个单位太大，在实地标注中很少采用。
一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，根据用途选取。

绝对误差：通常以电容量的值的绝对误差表示，这种表示方法通常用于小容量电容。以pF为单位：

标称	B	C	D	Y	A	V
精度	±0.1pF	±0.25pF	±0.5pF	±1pF	±1.5pF	±5pF

相对误差：以电容量标称值的偏差百分数表示。

标称	D	P	F	R	G	U	J	K	M	S	Z
精度	±0.5%	±0.625%	±1%	±1.25%	±2%	±3.5%	±5%	±10%	±20%	±50%/-20%	±80%/-20%

标称及识别方法

数字加字母表示法
数值表示有效值，常为$1\sim 4$位。字母表示单位。用数值表示时，不用小数点，而是用R表示或把单位写在整数与小数之间，例如：
$7p5=7.5pF，10n5=10.5nF，4\mu 7=4.7\mu F，2m2=2200\mu F$

数字表示法
此法通常用的单位位$pF，\mu F$两种。对于瓷片等普通电容，往往将$pF$省略，而电解电容省略$\mu F$，例如：
5为5$pF$，2200为2200$pF$，47(电解)为47$\mu F$

数码表示法
此法一般用于小容量电容。一般有三位数字。第一、第二位数为有效值，第三位为倍数，即表示后面跟多少个0。另外如果第三位数字为9，表示10的-1次方而不是10的9次方。

标注	算法	数值	精度
223J	223=22*10^3pF=22000pF	22000pF	J表示误差为±5%
473G	473=47*10^3=47000pF	47000pF	G表示误差为±2%
479D	479=47*10^(-1)=4.7pF	4.7pF	D表示误差为±0.5%

额定电压

耐压值：电容不被击穿所能承受的最大电压，一到超过耐压值电容就会损坏。（在进行测试的时候会提供耐压值标定的电压，但是不会进行很长时间以防止长时间高压损坏电容。）

额定电压：保持电容长期稳定工作的标准电压。（工作中的电容最好和这个值相等，超过则会损伤电容器）

击穿电压：达到这个值，电容器就会损坏。（肯定高于最高工作电压，是能损坏电容器的最低电压。）

电容器上标的电压：额定电压
电容的容值在严酷环境下使用时降额$30\%\sim 40\%$，一般环境下降额$30\%$，工作温度比最高工作温度低$10\sim 20℃$。

钽电容器为什么被要求降额到额定值的1/3使用
钽电容器的合适使用条件在-55-+125度，在85度内可以施加额定电压进行测试。按说，这样的条件已经说明钽电容器的温度特性很好了，但有一点经常被人忽视，那就是，在此条件下测试是在有1000欧姆的保护电阻下进行的。在产品通电的瞬间，电路中的电压和电流存在的浪涌变化非常小，过大的瞬间电流被串联的电阻抑制，因此变化对钽电容器造成冲击。

而在实际使用中，钽电容器经常被使用在没有任何电阻保护的电源电路作滤波或者作充放电使用，而此类电路如果使用的是外接电源，在开关的瞬间，电路中会产生非常高的浪涌电压和电流变化，因此，使用在此类电路，钽电容器在开关的瞬间就会承受到超过额定值的电压和大电流冲击而击穿失效。因此，使用在此类电路中的钽电容器，经过大量实验，证明，如果想保证其足够的可靠性，必须大幅度降额使用，保证其瞬间加在产品上的浪涌电压和反向电压之和不能超过额定值。 使用在此类低阻抗电路中的钽电容器因此被要求降额到额定值的1/3使用才可以保证可靠性。

此类要求已经为实际的用户带来了大量的不便；一方面，许多用户并不知道钽电容器在此类电路中的如此苛刻的使用条件，因此使用电压偏高，经常因此出现击穿，另一方面， 用户无法达到在体积和电容量被严格限定的条件下具有更高耐电压能力的片式产品。

导致钽电容器在具体使用中存在如此苛刻条件的原因， 实际上是钽电容器的危险的失效模式；钽电容器在漏电流偏大时，产品的耐压会迅速降低，随之很快出现的击穿瞬间就能够导致介质层的快速崩溃而出现燃烧或爆炸现象。它的此种缺陷导致钽电容器在存在大的浪涌电流的电路中呈现出非常脆弱的特征；耐浪涌能力是所有电容器中是最差的。
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温度系数

电容温度系数（temperature coefficient of capacitance ）是在给定的温度间隔内，温度每变化1℃时，电容的变化数值与该温度下的标称电容的比值。

电容参数的基本公式

电容参数的基本公式

损耗

电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的；在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。

通常将电容器在电场作用下因发热而消耗的能量称为电容器的损耗。习惯上以损耗角正切$tg\delta$表示电容器损耗的大小，而把$tg\delta$称为损耗因数。

电容器能量的损耗分为介质损耗和金属损耗两部分。介质损耗包括介质的漏电流所引起的电导损耗以及介质极化引起的极化损耗等。金属损耗包括金属极板和引线端的接触电阻引起的损耗。由于各种金属材料的电阻率不同，金属损耗随频率和温度增高而增大的程度也不同。电容器在高频电路中工作时，金属损耗占的比例很大。

由于电容器损耗的存在，使加在电容器上的正弦交流电压，与通过电容器的电流之间的相位差不是$\pi /2$，而是稍小于$\pi /2$ ，形成了偏离角$\delta 。\delta$称为电容器的损耗角，如图所示。

电容器损耗因数是衡量电容器品质优劣的重要指标之一。各类电容器都规定了在某频率范围内的损耗因数允许值.在选用脉冲、交流、高频等电路使用的电容器时应考虑这一参数。

电容的泄露电阻$Rleak$、有效串联电阻Rs和有效串联电感$L$式寄生元件，可能会降低外部电路的性能。一般将这些元件的效应合并考虑，定义为损耗因数或$DF$。

电容的泄漏是指施加电压时流过电介质的微小电流。虽然模型中表现为与电容并联的简单绝缘电阻$Rleak$，但实际上泄露与电压并非线性关系。制造商常常将将泄漏规定为$M\Omega -\mu F$积，用来描述电介质的自放电时间常数，单位为秒。其范围介于1秒或更短与数百秒之间，前者如铝和钽电容，后者如陶瓷电容。玻璃电容的自放电时间常数为1，000 或更大；特氟龙和薄膜电容（聚苯乙烯、聚丙烯）的泄漏性能最佳，时间常数超过1000000$M\Omega -\mu F$。对于这种器件，器件外壳的表面污染或相关配线、物理装配会产生泄漏路径，其影响远远超过电介质泄漏。

有效串联电感ESL（图 1）产生自电容引脚和电容板的电感，它能将一般的容抗变成感抗，尤其是在较高频率时；其幅值取决于电容内部的具体构造。管式箔卷电容的引脚电感显著大于模制辐射式引脚配置的引脚电感。多层陶瓷和薄膜电容的串联阻抗通常最低，而铝电解电容的串联阻抗通常最高。因此，电解电容一般不适合高频旁路应用。

电容制造商常常通过阻抗与频率的关系图来说明有效串联电感。这些图会显示：在低频时，器件主要表现出容性电抗；频率较高时，由于串联电感的存在，阻抗会升高。

有效串联电阻 ESR（图中的电阻$Rleak$）由引脚和电容板的电阻组成。如上文所述，许多制造商将 ESR、ESL 和泄漏的影响合并为一个参数，称为“损耗因数”或$DF$。损耗因数衡量电容的基本无效性。制造商将它定义为每个周期电容所损失的能量与所存储的能量之比。特定频率的等效串联电阻与总容性电抗之比近似于损耗因数，而前者等于品质因数$Q$的倒数。

损耗因数常常随着温度和频率而改变。采用云母和玻璃电介质的电容，其$DF$值一般在$0.03\%$至 $1.0\%$之间。室温时，陶瓷电容的$DF$范围是$0.1\%$ 至$2.5\%$。电解电容的$DF$值通常会超出上述范围。薄膜电容通常是最佳的，其$DF$值小于$0.1\%$。

漏电流

什么是电容漏电流？对电容器施加额定直流工作电压将观察到充电电流的变化开始很大，随着时间而下降，到某一终值时达到较稳定状态这一终值电流称为漏电流。

电容都有漏电流吗？一般电解电容器的漏电流较大，其他电容器的漏电流很小。特别是薄膜电容，优质的薄膜电容漏电流都很小，对电路影响不大。

漏电流的计算公式为：
$$I=k\ast C\ast V$$
$k$是系数，$V$是电容的额定电压，$C$是电容的容量，根据公式，漏电流的大小和电容的额定电压，系数，和他的容值有关，所以我们在电路设计选取器件的时候通常要满足需要的情况下尽量选择电容小，电压下系数小的电容。

电容漏电流大小与哪些因素有关？
1.与直流电压关系最密切。漏电流大小与施加的直流电压有关，随着施加的电压越大，漏电流越大。同时与施加直流电压的时间有关系，时间越长，漏电流就越小。
2.与电容的容量大小关系也很密切。电容的容量也是影响电容的漏电流的因素之一，容量越大漏电流就越大。

对于不同种类的电容器，其漏电流的大小也不一样，一般云母电容或聚丙烯电容的绝缘电阻极大，漏电流极小（$nA$级以下），而漏电流最大的电容就是铝电解电容，它们的漏电流大的可达$\mu A$级。

电容器漏电流的大小可以用直流电流表来测量。测量时，将一个直流电流表（可以用数字万用表的直流电流档）与被测电容串联后接入一个可调稳压电源（要求电源的输出电压要低于电容的耐压值），刚开始电流表会显示有一定的电流，约10个时间常数之后，电流表显示的读数即为电容器的漏电流。采用此法测量漏电流时，对于那些长时间放置未用的铝电解电容，最好先通电工作十几分钟然后再测量，这样可以获得较准确的测量结果。

上述方法亦可以用来估测电容器的耐压值，假定测量一个耐压值未知的铝电解电容在$20V$电压下的漏电流为$0.1\mu A$，当电压增加到$25V$时，漏电流达到数十$\mu A$以上，则该电容的耐压值在$25V$左右。

使用电容器时，我们希望其漏电流越小越好。若用于电源滤波的电容的漏电流过大，则电容工作时容易发热，并且会使整个电路的耗电增大。

品质因数

和电感一样，可以定义电容的品质因数，也就是Q值，也就是电容的储存功率与损耗功率的比：
$$Qc=(1/\omega C)/ESR$$
Q值对高频电容是比较重要的参数。
$$Q=cotan\delta =1/DF$$

等效串联电阻ESR（欧姆）

$$ESR=（DF）Xc=DF/2\pi fC$$

功率消耗

$$PowerLoss=（2\pi fCV2）（DF）$$

功率因数

$$PF=sin\delta （loss-angle）–cosФ（相位角）$$

纹波电流和纹波电压

在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”，其实就是 ripple current，ripple voltage。 含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。 它们和ESR之间的关系密切，可以用下面的式子表示：
$$U_{rms}=I_{rms}\times R$$
式中，$V_{rms}$表示纹波电压，$I_{rms}$表示纹波电流，$R$表示电容的ESR

由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低ESR值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

电容选型

每个器件型号的维护都需要成本，所以尽量选用已经用过的型号。支持引入新型电容在某些电路特殊场合的应用，提高产品的竞争力。支持小型化器件的引入，持续提升成本空间。避免出现独家供货的风险。
规则

1. 电容器选型遵守降额规范
2. 在未作特殊说明的情况下，必须选择符合环保要求的电路

各类电容基本选用规则
各类电容器如铝、钽、陶瓷、薄膜等需要注意各种参数的温度系数、频率特性等，例如电容量随温度、电压、频率、老化时间而变化；ESR随温度、频率的变化等；IR随电压及温度的变化；DF值（或Q值）随温度计频率的变化。
项目根据记者常用的电容自身特点，分别给出了选用基本原则。
a) 非固体铝电解电容：
优点：容量大，电压较高（可达550V）
缺点：受温度影响，参数变化很大，存在寿命问题。

b) Polymer铝电解电容：
优点：容量大，ESR低，性能一致性比钽电容好。圆柱体铝电容为气密结构，耐高温特性稍优于方片固体铝，但体积大，方片固体铝有尺寸优势。
缺点：电压较低，先阶段只有35V产品，Polymer铝电容存在

c) MnO2钽电容：
优点：封装小，一定电压范围内容量较大，稳定特性好，可靠性较好；
缺点：ESR较大，应用电压低，失效模式恶劣，大尺寸电容存在潮敏问题。

d) Polymer钽电容：
优点：封装小，ESR小，一定电压范围内容量较大，温度特性好；
缺点：在高功率场合短路时，可能出现燃烧的情况，价格趋势较差。

e) 陶瓷电容：
优点：封装小，ESR小，价格低廉，温度特性好，符号业界趋势，NPO电容容量特性稳定；
缺点：容量相比较电解电容小很多（先阶段只能到220uF/6.3V），X7R和X5R系列容量特性较差（会受到直流偏置和温度的影响），在布局或生产操作不规范的时候，容易出现机械应力的问题。

f) 薄膜电容：
优点：容量温度，电压高，交流特性好；
缺点：点子产品的型号容量都较小，封装较大，内部结构为单串的电容，高压使用时可能存在电晕线性（单串电压Vac>250V），目前为止表贴器件可靠性差，相比陶瓷电容而言，ESR较大。

g) 穿心电容：
优点：等效于LC电路或PI电路，对高频纹波抑制能力强；
缺点：容量较小，耐压值较低，容易受到机械应力。

电源滤波应用场景

电源输入输出滤波
通常来说，滤波（包括输入输出）电容主要用于电源系统，以提供较小的纹波电压，电源滤波（包括输入输出）电容的选取直接影响电源输出电压质量，因此电源滤波用电容的选取必须满足相关的标准要求。

滤波电容器的选用基本原则：
规则1.1.1 工作环境温度较高时尽量使用陶瓷电容，固体铝电解电容及非固体铝电解电容在高温环境中电容预期寿命均会明显缩短；
规则1.1.2 电容应用需满足电压降额，特别是不同类型陶瓷电容的降额；
规则1.1.3 为规避应力风险，尽量不要选用大尺寸陶瓷电容，0805及以上陶瓷电容的布局需要考虑PCB应力，1206及以上封装的陶瓷电容可选择软端子产品
规则1.1.4 从滤波性能来讲，通常电解电容对中低频段的纹波滤波效果较好，陶瓷电容对高频噪声有较好的滤波效果，一般在实际应用中，陶瓷电容和电解电容要配合使用。
规则1.1.5 非特殊场合，禁止选用MnO2钽电容。

数字电路器件电源滤波
对于数字电路的电源滤波应用，取决于数字器件工作时所需的动态电流能量频谱分布：但其滤波电容的选取应遵从以下几条原则：

规则1.2.1 铝电解电容选用时，低ESR应用推荐圆柱形polymer铝电容，如结构尺寸不满足设计要求可选择表贴方片Polymer铝电容，但需确认满足寿命约束条件，对于不满足寿命约束条件的场景，推荐使用高容量MLCC；非固体铝电解电容工作寿命必须满足单板寿命需求，在电源等高可靠性场合优选长寿命铝电容。
规则1.2.2 满足应用要求的同时，优选小尺寸封装电容，优选表贴器件。
规则1.2.3 非特殊场合，禁止选用MnO2钽电容。
建议1.2.1 选用陶瓷电容时，通常推荐X7R、X5R，不推荐NPO材料（成本高），禁选Y5V、Z5U材料（性能差），封装类型优选表贴类型，大小优选小封装。
建议1.2.2 $100uF$以下容指建议选用陶瓷电容。
建议1.2.3 大功率高速高频$IC$的电源滤波，多选用低ESL的电容来减少电容的应用数量。

模拟或者是在器件电源滤波
对于模拟或者时钟器件，电源噪声指标更加苛刻，常用滤波手段为应用$PI$型、$L$型等特殊结构滤波电路。针对此种电路的选型，其滤波电容的选取应遵从以下几条原则：

规则1.3.1 隔离滤波电路推荐选用穿心电容、磁珠、和电感，其中穿心电容和磁珠对高频滤波效果更好，而电感则偏重于滤除低频纹波，三种器件的选用都需要关注其通流规格，让电路的电流小于其额定值；对于瞬态响应要求较高的电路，不建议使用电感隔离，因为电感隔离电源和前级电容的瞬态响应能力；
规则1.3.2 推荐在模拟器件侧添加1个容量在$10uF$的电容（尤其时钟器件），满足动态电流储能需求，另也规避其与高频电容形成的LC电路的谐振引起电源噪声过大的问题；
规则1.3.3 磁珠、电感的选用应注意其直流电阻，通常为mohm级别，保证营养电流的直流压降满足器件要求；
规则1.3.4 此两类电路布局空间均十分有限，故电容的选取优选小封装。

PWM控制电源滤波
在PWM变化电路中，电容主要起存储和滤波的作用。对电容的选择，从性能上来看，主要考虑容量，ESR，纹波电流能力3个参数，理论上是容量越大越好，ESR越小越好，纹波电流能力越大越好。实际上，容量太大会影响稳定性，同时大容量的电容自身可靠性较差，而且成本较高，一般使用$1\sim 2$个$100uF\sim 470uF$的电容并联使用。PWM电路中，电容ESR的大小直接影响了纹波的大小，选择低ESR的软软对电路性能的改善非常重要。针对此种电路的选型，其滤波电容的选取应遵从以下几条原则：

规则1.4.1 优选LOW ESR的电容，如大量陶瓷电容，Polymer铝电容（高温情况下不推荐使用）；
规则1.4.2 由于开关频率的原因，PWM电路中，电容上的纹波电流都较大，因此通常选择纹波能力强的电容。一般来说，大容量陶瓷电容纹波电流能力最好，其次为Polymer铝电容。在纹波电流较大时，可采用多个$100uF$容量且ESR很低的电容并联来实现较大的纹波电流能力。
规则1.4.3 PWM电路工作频率较低，ESL影响较小，一般只加$0.1uF$陶瓷电容来滤除多次谐波。

交流耦合应用场景

单板上的电容应用场景中，交流耦合应用仅次于电压滤波，其用途多为不同电平信号互连时的隔直去噪作用。本质都是给一定频率的信号提供一个低阻通道。其滤波电容的选取应遵从以下几条原则：

规则2.1 对于射频电路应用的大功率信号链路，关注所选规格电容的ESR和电容的散热，决定电容能通过信号功率的最大值。如通过的信号功率超过了再信号频率点上电容的允许范围，则电容很容易烧毁。理论上时，信号频率点上，改电容的Q值越高（ESR越低），电容能够通过的信号功率越大。
建议2.1 对于$1GHz$以下频率的信号，根据待传输的信号频率，选择其容量、封装合适的规格电容，是其在信号频率的阻抗为低阻，其插损满足涉及需求即可：通常推荐选用的电路容值大于或等于$100nF$，封装选择$0603$或者更新封装（$100nF$，$0402$封装，$1GHz$范围内插损小于$0.3dB$）；总线多信号耦合应用，不推荐使用排容，因为排容之间相互影响，会导致通向信号经过排容时，产生更多的互感，对信号衰减更多；
建议2.2 如果信号耦合接收端为高阻态，需要关注电容的绝缘阻抗的影响，电脑电容的绝缘阻抗小于后接近接收端阻抗时，就会和接收端形成分压电路，导致接收端存在直流或其他品类信号的分压，从而影响耦合信号的直流。

匹配应用场景

匹配应用场景主要用于平滑波形，主要应用三类情况，内存总线一驱多（9个负载以上）情况；一些低速器件例如DSP的输出端；低速总线的终端RC匹配电流；其电容的选取应遵从以下几条原则：

规则3.1 低速总线的终端RC匹配电路应用时，不宜选用容值过大规格电容，以免影响信号质量，推荐pF级规格电容，具体容值需要SI仿真结果。
规则3.2 匹配频率点，电容自环处于容抗区域。谐振点附近和感抗区域，阻抗值波动较大，容易出现容差问题。
建议3.1 内存总线的一驱多（9个以上负载）情况匹配电容的选取，优选器件资料推荐规格，如果没有，通常推荐$30pF$左右规格陶瓷电容
建议3.2 一些低速器件例如DSP的输出端，为了平滑波形，通常推荐$30pF$左右规格陶瓷电容。
建议3.3 阻抗匹配的电容对精度的要求都较高，如果选用陶瓷电容，最好选用NPO介质材料的电容。

其它应用场景

以上三种场景的电容应用比例占据90%以上，对于其它应用场景，例如：颜色、谐振、控制补偿电路等，选用电容器件时，安装器件手册推荐规格，尽量选用已有的型号，电容的选取应遵守以下几条原则：

规则4.1 优选小封装器件；
规则4.2 对于谐振、延时高精度应用场合，推荐选用NPO陶瓷电容；
规则4.3 安装器件手册推荐规格，尽量选用已经用过的型号。