高速电路设计中的电容器--电容的作用、相关参数及常用种类

一.电容作用

1.电荷缓冲池
高速电路设计中，运行器件的电流和功耗是不断变化的，为了保证器件工作的稳定，即控制其工作电压相对稳定，需要为器件提供一个电压缓冲池。
电容的本质是储存电荷与释放电荷。根据当外部电压大于其工作电压时，电荷被积累至电容池里，当外部电压小于工作电压时，电荷从电容池中释放出来提供工作电压，从而保持器件工作电压的稳定。
2.高频噪声的泄放渠道
高速运行的电路时刻存在着状态的改变，例如信号电平的高低变化，器件电流方向输入输出的切换。这些改变会在电路上产生大量噪声干扰。
需要将这些干扰泄放到相对稳定的地平面上，以免影响器件工作，根据Z = 1/jwc,w= 2Πf可知电容在频率较高时表现为低阻抗，可作为泄放通路到地。
3.交流耦合
电容在高频时低阻抗，低频时高阻抗，意味着有通交流、阻直流的天然特性，因此可以实现交流的耦合和直流的隔离。在电路中，电容可以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，同时隔断直流信号。

二.相关参数

高速设计中，电容器件的特性取决于电容值、ESL分量、ESR分量以及泄漏特性等。

ESR:Equivalent Series Resistance,等效串联电阻。
ESL:Equivalent Series Inductance,等效串联电感。
R_leak:并联泄漏电阻。

1.ESL分量
①一般来说，薄膜电容、陶瓷电容等类型的电容ESL值较低，而铝电解电容、钽电解电容等类型的电容ESL值可能较高。
②一般来说，封装越大ESL越大，影响电路的稳定性和可靠性。特例：选用0612电容，ESL数值极小。
2.ESR分量
高速电路中，电容的等效电阻值，该数值随着工作频率变化。一般设计中，希望该数值越小越好。
3.泄漏特性**
电容内部本身存在泄漏电阻R_leak,因此产生泄漏电流Leakage Current，对损耗功率产生影响。*
4.Rated Ripple Current额定纹波电流
该项参数越大表示承受大电流冲击的能力越好。
5.Tangent of loss angle电容损耗角正切值
Tanx = P/Q,
（ESR或泄漏电流越大则损耗功率P越大，Q为理想电容工作时产生的无功功率）
该数值越小，说明电容损耗越小。

三.常用电容的种类

1.陶瓷电容
材料：以陶瓷为介质，表面沉积一层金属薄膜作为电极。
特性：陶瓷电容是以陶瓷材料为介质，具有稳定性好、绝缘性优、耐高压等特点。
常见分类：
X7R:工作温度范围-55℃~+125℃，温度稳定性为±15%.
X5R:工作温度范围-55℃~+85℃，温度稳定性为±15%.
Y5V:工作温度范围-30℃~+85℃，温度稳定性为-82% ~+22%.
NPO:工作温度范围-55℃~+125℃，极高的温度稳定性，其电容值随温度的变化非常小。
应用：高频、高压电路中的耦合、滤波等，常选用X7R、X5R，NPO（振荡器、谐振器的槽路电容）。
2.电解电容
材料：通常以铝或钽为电极，内部填充有液体电解质。
特性：容量大，但漏电大、对温度敏感、稳定性差。有正负极性，不能接反。
应用：适用于电源滤波或低频电路中。
3.钽电容
材料：用金属钽或者铌做正极，用稀硫酸等配液做负极。
特性：体积小、容量大、性能稳定、寿命长，绝缘电阻大，温度性能好，但价格也较高，耐压低。
应用：常用于噪声旁路、电源滤波等要求较高的电路中。

参考《高速电路设计实践》