電容器的寄生作用與雜散電容

電容器的寄生作用與雜散電容

電容器的寄生作用

問：我想知道如何為具體的應(yīng)用選擇合適的電容器，但我又不清楚許多不同種類 的電容器有哪些優(yōu)點和缺點?
答：為具體的應(yīng)用選擇合適類型的電容器實際上并不困難。一般來說，按應(yīng)用分 類，大多數(shù)電容器通常分為以下四種類型(見圖14.1)：

·交流耦合，包括旁路(通過交流信號，同時隔直流信號)
·去耦(濾掉交流信號或濾掉疊加在直流信號上的高頻信號或濾掉電源、基準(zhǔn)電源 和信號電路中的低頻成分)
·有源或無源RC濾波或選頻網(wǎng)絡(luò)
·模擬積分器和采樣保持電路(捕獲和儲存電荷)
盡管流行的電容器有十幾種，包括聚脂電容器、薄膜電容器、陶瓷電容器、電解電容器，但 是對某一具體應(yīng)用來說，最合適的電容器通常只有一兩種，因為其它類型的電容器，要么有 的性能明顯不完善，要么有的對系統(tǒng)性能有“寄生作用”，所以不采用它們。

問：你談到的“寄生作用”是怎么回事?

答：與“理想”電容器不同，“實際”電容器用附加的“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，非線性和介電存儲性能。“實際”電容 器模 型如圖14.2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。

圖14.2 “實際”電容器模型

問：那么表征非理想電容器性能的最重要的參數(shù)有哪些?
答：最重要的參數(shù)有四種：電容器泄漏電阻RL(等效并聯(lián)電阻EPR)、等效串聯(lián)電 阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)和介電存儲(吸收)。
電容器泄漏電阻，RP：在交流耦合應(yīng)用、存儲應(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，RP是一項重要參數(shù)，電容器的泄漏模型如圖1 4.3所示。

圖14.3 電容器的泄漏模型
理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的RP使電荷以R?C時間常 數(shù)決定的速率緩慢泄漏。

電解電容器(鉭電容器和鋁電容器)的容量很大，由于其隔離電阻低，所以漏電流非常大 (典型值5～20nA/μF)，因此它不適合用于存儲和耦合。
最適合用于交流耦合及電荷存儲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。

等效串聯(lián)電阻(ESR)，R ESR ：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，R ESR 使電容器消耗能量(從而產(chǎn)生損耗)。這對射頻電路和載有高波紋電 流的電源去耦電容器會造成嚴(yán)重后果。但對精密高阻抗、小信號模擬電路不會有很大的影響 。R ESR 最低的電容器是云母電容器和薄膜電容器。

等效串聯(lián)電感(ESL)，L ESL ：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極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。像R ESR 一樣，L ESL 在射頻或高頻工作環(huán)境下也會出現(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。其原因是用子精密模擬電路中的晶體管在過渡頻率(transition freque ncie s)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。 這就是在高頻情況下對這種電路的電源端要進(jìn)行適當(dāng)去耦的主要原因。

電解電容器、紙介電容器和塑料薄膜電容器不適合用于高頻去耦。這些電容器基本上是由多 層塑料或紙介質(zhì)把兩張金屬箔隔開然后卷成一個卷筒制成的。這種結(jié)構(gòu)的電容具有相當(dāng)大的 自 感，而且當(dāng)頻率只要超過幾兆赫時主要起電感的作用。對于高頻去耦更合適的選擇應(yīng)該是單 片陶瓷電容器，因為它們具有很低的等效串聯(lián)電感。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。

單片陶瓷電容的不足之處是具有顫噪聲(即對振動敏感)，所以有些單片陶瓷電容器可能會出 現(xiàn)自共振，具有很高的Q值，因為串聯(lián)電阻值及與其在一起的電感值都很低。另外，圓片陶 瓷電容器，雖然價格不太貴，但有時電感很大。

問：在電容器選擇表中，我看到“損耗因數(shù)”這個術(shù)語。請問它 的含義是什么?

答：好。因為電容器的泄漏電阻、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感，這三項指標(biāo)幾 乎總是很難分開，所以許多電容器制造廠家將它們合并成一項指標(biāo)，稱作損耗因數(shù)(disspat ion factor)，或DF，主要用來描述電容器的無效程度。損耗因數(shù)定義為電容器每周期損耗 能量與儲存能量之比。實際上，損耗因數(shù)等于介質(zhì)的功率因數(shù)或相角的余弦值。如果電容 器在關(guān)心頻帶范圍的高頻損耗可以簡化成串聯(lián)電阻模型，那么等效串聯(lián)電阻與總?cè)菘怪仁?對損耗因數(shù)的一種很好的估算，即DF≈ωR ESR C還可以證明，損耗因數(shù)等于電容器品質(zhì)因數(shù)或Q值的倒數(shù)，在電容器制造廠家的產(chǎn)品說明中 有時也給出這項指標(biāo)。介質(zhì)吸收，R DA ，C DA ：單 片陶瓷電容器非常適用于高頻去耦， 但是考慮介質(zhì)吸收問題，這種電容器不適用于采樣保持放大器中的保持電容器。介質(zhì)吸收是 一種有滯后性質(zhì)的內(nèi)部電荷分布，它使快速放電然后開路的電容器恢復(fù)一部分電荷，見圖 14?4。因為恢復(fù)電荷的數(shù)量是原來電荷的函數(shù) ，實際上這是一種電荷記憶效應(yīng)。如果把這種電容器用作采樣保持放大器中的保

圖14?4 介質(zhì)吸收作用使電容器快速放電 然后開路以恢復(fù)原來一部分電荷

持電容器，那么勢必對測量結(jié)果產(chǎn)生誤 差。對于這種類型應(yīng)用推薦的電容器，正如前面介紹的還是聚脂型電容器，即聚苯乙烯 電容 器、聚丙烯電容器和聚四氟乙烯電容器。這類電容器介質(zhì)吸收率很低(典型值＜0?01%)。 常見電容器特性比較見表14?1。