初识电容器

电容器

一、概念、原理、基本结构

1、电容器概述

电容器即为容纳和释放电荷的电子元器件。

2、基本原理

电容器基本工作原理为充电放电，整流、振荡以及滤波等。

3、基本结构

电容器由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成。

二、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用

1、旁路

旁路电容是为本地器件提供能量的的储能器件，其能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。以此能够很好的防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。
旁路电容可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路滤掉，一般把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除。

2、去耦

去耦又称解耦。从电路来说，总可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容过大，驱动电路要对电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感、电阻会产生反弹，这种电流相对于正常情况来说实际上是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是耦合。
去耦合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。
旁路电容实际上也是去耦合的，只是旁路电容一般指高频旁路，即给高频的开关噪声提高一条低阻泄防途径。
高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1uF、0.01uF等，去旁路电容一般比较大，为10uF或更大，一般根据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。
本质区别： 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、滤波

从理论上讲，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到一个较大的电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。

电容的作用： 通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。具体在滤波中，大电容（1000uF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。

电容两端的电压不会突变，因此，信号频率越高则衰减越大。电容会把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电、放电的过程。

在实际中，为防止电路中各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端会接一个数十至数百微法的电解电容。由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联一只容量为0.001~0.1pF的电容，以滤除高频及脉冲干扰。

4、储能

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40_{450VDC、电容值在220}150000uF之间的铝电解电容器是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

三、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用

1、去耦

例如：晶体管放大器发射级有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻是产生了耦合的元件，若在这个电阻两端并联了一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗，于是就减小了电阻产生的耦合效应，故此电容为去耦电容。

2、振荡/同步

一般包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这类。

3、时间常数

常见的R、C串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升，而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻R、电容C的特性如下：i = (V/R)e - (t/CR)。

四、 电解电容的使用注意事项

1、正负极

电解电容有正负极，使用时不能颠倒连接。
在电源电路中，输出正电压时电解电容的正极接电源输出端，负极接地，输出负电压时，则负极接输出端，正极接地。当电源电路中的滤波电容极性接反时，电容的滤波作用将大大降低，一方面会引起电源输出电压波动，另一方面又因反向通电使此时相当于一个电阻的电解电容发热。当反向电容超过某值时，电容的反向漏电电阻将变得很小，这样会导致电容因过热而炸裂损坏。

2、电压

加在电解电容两端的电压不能超过其允许的工作电压。
在设计实际电路时应根据具体情况留有一定的余量，在设计稳压电源的滤波电容时，如果交流电源电压为220时，变压器次级的整流电压可达22V，此时选择耐压为25V的电解电容一般可满足要求。但是，假如交流电源电压波动很大且可能上升到250V以上时，最好选择耐压30V以上的电解电容。

3、大功率器件

电解电容在电路中不应靠近大功率发热元件，以防因受热而使电解液加速干涸。

4、滤波

对于一个有正负极性的信号的滤波，可采取两个电解电容同极性串联的方法，当作一个无极性的电容。

五、关于滤波电容、去耦电容、旁路电容的作用

1、滤波电容

滤波电容在电源整流电路中，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。

2、去耦电容

一般用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。

3、旁路电容

一般用在有电阻连接时，接在电阻两端使信号顺利通过。

六、旁路电容和去耦电容的区别

去耦： 去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。
旁路： 从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能。

一般可经常看到在电源和地之间连接着去耦电容，其有三个方面的作用：
（1）作为本集成电路的蓄能电容；
（2）滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；
（3）防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼则不同。对于同一个电路来说，旁路电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。

七、大电容并联小电容作用及应用原理

大电容由于容量大，故一般体积也较大，通常是用多层卷绕的方式制作，这就导致大电容的分布电感比较大（也叫等效串联电感，ESL）。

电感对高频信号的阻抗很大，故大电容的高频性能不好。而一些小电容则刚好相反，由于容量小，因此体积可以做的很小（缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可看成是一个电感），而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小的ESL，它就具有很好的高频性能，但由于容量小，对低频信号的阻抗较大。

因此，为了让低频、高频信号都可很好的通过，就采用一个大电容在并上一个小电容的方式。

常使用的小电容为0.1uF的瓷片电容，当频率更高时，还可并联更小的电容，如几pF，几百pF的。在数字电路中，一般要给每个芯片的电源管脚上并联一个0.1uF的电容到地，这个电容叫做退耦电容，也可理解为电源滤波电容，越靠近芯片越好。因为这些地方的信号主要是高频信号，使用较小的电容就可以了。