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(wèn)：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(diǎn)和缺點(diǎn)?
答：為具體的應(yīng)用選擇合適類型的電容器實(shí)際上并不困難。一般來(lái)說(shuō)，按應(yīng)用分 類，大多數(shù)電容器通常分為以下四種類型(見(jiàn)圖14.1)：

·交流耦合，包括旁路(通過(guò)交流信號(hào)，同時(shí)隔直流信號(hào))
·去耦(濾掉交流信號(hào)或?yàn)V掉疊加在直流信號(hào)上的高頻信號(hào)或?yàn)V掉電源、基準(zhǔn)電源 和信號(hào)電路中的低頻成分)
·有源或無(wú)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(chǔ)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(duì)某一具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最合適的電容器通常只有一兩種，因?yàn)槠渌愋偷碾娙萜?，要么?的性能明顯不完善，要么有的對(duì)系統(tǒng)性能有“寄生作用”，所以不采用它們。

問(wèn)：你談到的“寄生作用”是怎么回事?

答：與“理想”電容器不同，“實(shí)際”電容器用附加的“寄生”元件或“非理想 ”性能來(lái)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(chǔ)性能?！皩?shí)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(shuō) 明中都有詳細(xì)說(shuō)明。在每項(xiàng)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(shí)際”電容器模型

問(wèn)：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(chǔ)(吸收)。
電容器泄漏電阻，RP：在交流耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)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(shí)，RP是一項(xiàng)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(shí)際電容器中的RP使電荷以R?C時(shí)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(chǔ)和耦合。
最適合用于交流耦合及電荷存儲(chǔ)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(gè)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(guò)電容器，R ESR 使電容器消耗能量(從而產(chǎn)生損耗)。這對(duì)射頻電路和載有高波紋電 流的電源去耦電容器會(huì)造成嚴(yán)重后果。但對(duì)精密高阻抗、小信號(hào)模擬電路不會(huì)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(gè)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)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(guò)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(hào)。 這就是在高頻情況下對(duì)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(kāi)然后卷成一個(gè)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(guò)幾兆赫時(shí)主要起電感的作用。對(duì)于高頻去耦更合適的選擇應(yīng)該是單 片陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兙哂泻艿偷牡刃Т?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(duì)振動(dòng)敏感)，所以有些單片陶瓷電容器可能會(huì)出 現(xiàn)自共振，具有很高的Q值，因?yàn)榇?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(jià)格不太貴，但有時(shí)電感很大。

問(wèn)：在電容器選擇表中，我看到“損耗因數(shù)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。請(qǐng)問(wèn)它 的含義是什么?

答：好。因?yàn)殡娙萜鞯男孤╇娮?、等效串?lián)電阻和等效串聯(lián)電感，這三項(xiàng)指標(biāo)幾 乎總是很難分開(kāi)，所以許多電容器制造廠家將它們合并成一項(xiàng)指標(biāo)，稱作損耗因數(shù)(disspat ion factor)，或DF，主要用來(lái)描述電容器的無(wú)效程度。損耗因數(shù)定義為電容器每周期損耗 能量與儲(chǔ)存能量之比。實(shí)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(jiǎn)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(duì)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(shuō)明中 有時(shí)也給出這項(xiàng)指標(biāo)。介質(zhì)吸收，R DA ，C DA ：?jiǎn)?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(wèn)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(kāi)路的電容器恢復(fù)一部分電荷，見(jiàn)圖 14?4。因?yàn)榛謴?fù)電荷的數(shù)量是原來(lái)電荷的函數(shù) ，實(shí)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(kāi)路以恢復(fù)原來(lái)一部分電荷

持電容器，那么勢(shì)必對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤 差。對(duì)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(jiàn)電容器特性比較見(jiàn)表14?1。