电容器的寄生效果与杂散电容

电容器的寄生效果

问：我想知道怎么为具体的运用挑选适宜的电容器，但我又不清楚许多不同品种 的电容器有哪些长处和缺陷?
答：为具体的运用挑选适宜类型的电容器实践上并不困难。一般来说，按运用分 类，大多数电容器一般分为以下四品种型(见图14.1)：

·沟通耦合，包含旁路(经过沟通信号，同时隔直流信号)
·去耦(滤掉沟通信号或滤掉叠加在直流信号上的高频信号或滤掉电源、基准电源 和信号电路中的低频成分)
·有源或无源RC滤波或选频网络
·模仿积分器和采样坚持电路(捕获和贮存电荷)
尽管盛行的电容器有十几种，包含聚脂电容器、薄膜电容器、陶瓷电容器、电解电容器，但 是对某一具体运用来说，最适宜的电容器一般只需一两种，由于其它类型的电容器，要么有 的功能显着不完善，要么有的对体系功能有“寄生效果”，所以不选用它们。

问：你谈到的“寄生效果”是怎么回事?

答：与“抱负”电容器不同，“实践”电容器用附加的“寄生”元件或“非抱负 ”功能来表征，其表现形式为电阻元件和电感元件，非线性和介电存储功能。“实践”电容 器模 型如图14.2所示。由于这些寄生元件决议的电容器的特性，一般在电容器出产厂家的产品说 明中都有具体阐明。在每项运用中了解这些寄生效果，将有助于你挑选适宜类型的电容器。

问：那么表征非抱负电容器功能的最重要的参数有哪些?
答：最重要的参数有四种：电容器走漏电阻RL(等效并联电阻EPR)、等效串联电 阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和介电存储(吸收)。
电容器走漏电阻，RP：在沟通耦合运用、存储运用(例如模仿积分器和采 样坚持器)以及当电容器用于高阻抗电路时，RP是一项重要参数，电容器的走漏模型如图1 4.3所示。

图14.3 电容器的走漏模型
抱负电容器中的电荷应该只随外部电流改动。可是实践电容器中的RP使电荷以R?C时刻常 数决议的速率缓慢走漏。

电解电容器(钽电容器和铝电容器)的容量很大，由于其阻隔电阻低，所以漏电流十分大 (典型值5～20nA/μF)，因而它不适宜用于存储和耦合。
最适宜用于沟通耦合及电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚 苯乙烯等)电容器。

等效串联电阻(ESR)，R ESR ：电容器的等效串联 电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的沟通电流 经过电容器，R ESR 使电容器耗费能量(然后发生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电 流的电源去耦电容器会形成严峻后果。但对精细高阻抗、小信号模仿电路不会有很大的影响 。R ESR 最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。

等效串联电感(ESL)，L ESL ：电容器的等效串联电 感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像R ESR 相同，L ESL 在射频或高频作业环境下也会呈现严峻问题，尽管精细电路本身在直流或低频条 件下正常作业。其原因是用子精细模仿电路中的晶体管在过渡频率(transiTIon freque ncie s)扩展到几百兆赫或几吉赫的状况下，仍具有增益，能够扩大电感值很低的谐振信号。 这就是在高频状况下对这种电路的电源端要进行恰当去耦的首要原因。

电解电容器、纸介电容器和塑料薄膜电容器不适宜用于高频去耦。这些电容器基本上是由多 层塑料或纸介质把两张金属箔离隔然后卷成一个卷筒制成的。这种结构的电容具有适当大的 自 感，而且当频率只需超越几兆赫时首要起电感的效果。关于高频去耦更适宜的挑选应该是单 片陶瓷电容器，由于它们具有很低的等效串联电感。单片陶瓷电容器是由多层夹层金属 薄膜 和陶瓷薄膜构成的，而且这些多层薄膜是依照母线平行办法排布的，而不是依照串行办法卷 绕的。

单片陶瓷电容的不足之处是具有颤噪声(即对振荡灵敏)，所以有些单片陶瓷电容器或许会出 现自共振，具有很高的Q值，由于串联电阻值及与其在一起的电感值都很低。别的，圆片陶 瓷电容器，尽管价格不太贵，但有时电感很大。

问：在电容器挑选表中，我看到“损耗因数”这个术语。请问它 的意义是什么?

答：好。由于电容器的走漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感，这三项目标几 乎总是很难分隔，所以许多电容器制作厂家将它们合并成一项目标，称作损耗因数(disspat ion factor)，或DF，首要用来描绘电容器的无效程度。损耗因数界说为电容器每周期损耗 能量与贮存能量之比。实践上，损耗因数等于介质的功率因数或相角的余弦值。假如电容 器在关怀频带规模的高频损耗能够简化成串联电阻模型，那么等效串联电阻与总容抗之比是 对损耗因数的一种很好的预算，即DF≈ωR ESR C还能够证明，损耗因数等于电容器品质因数或Q值的倒数，在电容器制作厂家的产品阐明中 有时也给出这项目标。介质吸收，R DA ，C DA ：单 片陶瓷电容器十分适用于高频去耦， 可是考虑介质吸收问题，这种电容器不适用于采样坚持扩大器中的坚持电容器。介质吸收是 一种有滞后性质的内部电荷散布，它使快速放电然后开路的电容器康复一部分电荷，见图 14?4。由于康复电荷的数量是本来电荷的函数 ，实践上这是一种电荷回忆效应。假如把这种电容器用作采样坚持扩大器中的保

图14?4 介质吸收效果使电容器快速放电 然后开路以康复本来一部分电荷

持电容器，那么必然对丈量成果发生误 差。关于这品种型运用引荐的电容器，正如前面介绍的仍是聚脂型电容器，即聚苯乙烯 电容 器、聚丙烯电容器和聚四氟乙烯电容器。这类电容器介质吸收率很低(典型值＜0?01%)。 常见电容器特性比较见表14?1。

关于高频去耦的一般阐明：

确保对模仿电路在高频和低频去耦都适宜的最好办法是用电解电容器，例如一个钽片电容与 一个单片陶瓷电容器相并联。这样两种电容器相并联不但在低频去耦功能很好，而且在频率 很高的状况下仍坚持优秀的功能。除了要害集成电路以外，一般不用每个集成电路都接一个 钽电容器。假如每个集成电路和钽电容器之间适当宽的印制线路板导电条长度小于10cm，可 在几个集成电路之间共用一个钽电容器。

关于高频去耦另一个需求阐明的问题是电容器的实践物理散布。乃至很短的引线都有不行忽 视的电感，所以装置高频去耦电容器应当尽量接近集成电路，而且做到引脚短，印制线路板 导电条宽。

为了消除引脚电感，抱负的高频去耦电容器应该运用外表装置元件。只需电容器的引脚长度 不超越1?5mm，仍是挑选结尾引线电容器(wire?ended capacitors)。电容器的正确运用方 法如图14?5所示。

(a) 正确办法 (b) 错误办法
·运用低电感电容器(单片陶瓷电容器)
·装置电容器接近集成电路
·运用外表装置电容器
·短引脚、宽导电条

图14?5 电容器的正确运用 杂散电容

前面咱们现已评论了电容器像元件相同的寄生作

表14?1 各种电容器材功能比较表

类型典型介质吸收优 点缺 点

NPO陶瓷电容器
吸收＜0?1%
外型尺度小、价格便宜、稳定性好、电容值规模宽、 销售商多、电感低
一般很低，但又无法约束到很小的数值(10nF)

聚苯乙烯电容器 0?001%～0 ?02%
价格便宜、DA很低、电容值规模宽、稳定性好
温度高于85°C，电容器遭到危害、外形尺度大、电感高

聚丙烯电容器 0?001%～0?0 2%
价格便宜、DA很低、电容值规模宽
温度高于+105°C，电容器遭到危害、外形尺度大、电感

聚四氟乙烯电容器 0?003%～ 0?02%
DA很低、稳定性好、可在+125°C以上温度作业、电容值规模宽
价格适当贵、外形尺度大、电感高

MOS电容器 0?01%
DA功能好，尺度小，可在+25°C以上温度作业，电感低
约束供给、只供给小电容值

聚碳酸酯电容器 0?1%
稳定性好、价格低、温度规模宽
外形尺度大、DA约束到8位运用、电感高

聚酯电容器 0?3%～0?5%
稳定性中等、价格低、温度规模宽、电感低
外形尺度大、DA约束到8位运用、电感高

单片陶瓷电容器(高k值)＞0?2%
电感低、电容值规模宽
稳定性差、DA功能差、电压系数高

云母电容器 ＞0?003%
高频损耗低、电感低、稳定性好、功率优于1%
外形尺度很大、电容值低(＜10nF)、价格贵

铝电解电容器 很高
电容值高、电流大、电压高、尺度小
走漏大、一般有极性、稳定性差、精度低、电理性

钽电解电容器 很高
尺度小、电容值大、电感适中
走漏很大、一般有极性、价格贵、稳定性差、精度差

用，下面让咱们评论一下称作“杂散”电容(stray capacitance)的另一种寄生效果。
问：什么是杂散电容?
答：像平行板电容器相同，(见图14?6)不管什么时候，当两个导体互相十分靠 近 (尤其是当两个导体坚持平行时)，便发生杂散电容。它不能不断地减小，也不能像法拉弟屏 蔽相同用导体进行屏蔽。

C=0.0085×E R ×Ad
其间：
C=电容，单位pF
E R =空气介电常数
A=平行导体面积，单位mm 2
d=平行导体间的间隔，单位mm
图14?6 平行板电容器模型

杂散电容或寄生电容一般呈现在印制线路板上的平行导电条之间或印制线路板的相对 面上的导电条或导电平面之间，见图14?7。杂散电容的存在和效果，尤其是在频率很高 时，在电路规划中常常被忽视，所以在制作和装置体系线路板时会发生严峻的功能问 题，例如，噪声变大，频率响应下降，乃至使体系不稳定。
经过实例阐明怎么用上述电容公式核算印制线路板相对面上的导电条发生的杂散电容 。关于一般的印制线路板资料，E R =4?7,d=1?5mm，则其单位面积杂

散电容为3pF/cm 2 。在250MHz频率条件下，3pF电容对应 的电抗为212?2Ω。

问：请问怎么消除杂散电容?
答：实践上历来不能消除杂散电容。最好的办法只能设法将杂散电容对电路的影 响减到最小。

问：那么应该怎么减小杂散电容呢?
答：减小杂散电容耦合影响的一种办法是运用法拉弟屏蔽(Faraday shield)，它 是在耦合源与受影响电路之间的一种简捷接地导体。

问：杂散电容是怎么起效果的?
答：让咱们看一下图14?8。图中示出了高频噪声源V N 怎么经过杂散电容C 耦合到体系阻抗Z的等效电容。假如咱们简直或不能操控V N ，或不能改动电路阻抗Z 1 的方位，那么最好的解决办法是刺进一个法拉弟屏蔽。 图14?9示出了法拉弟屏蔽中止耦合电场的状况。

图14?8 经过杂散电容耦合的电压噪声
(a) 电容屏蔽中止耦合电场
(b) 电容屏蔽使噪声电流返回到噪声源，而不经过阻抗Z 1

图14?9 法拉弟电容屏蔽

请注意法拉弟屏蔽使噪声和耦合电流直接返回到噪声源，而不再经过阻抗Ｚ 1 。
电容耦合的另一个比如是旁边面镀铜陶瓷集成电路外壳。这种DIP封装，在陶瓷封装的顶上有 一小块方形的导电可伐合金盖，这块可伐合金盖又被焊接到一个金属圈(metallized rim)上 (见图14?10)。出产厂家只能供给两种封装挑选：一种是将金属圈衔接到器材封装角上的一 个引 脚上；另一种是保存金属圈不衔接。大部分逻辑电路在器材封装的某一角上有一个接地引脚 ，所以这种器材的可伐合金盖接地。可是许多模仿电路在器材封装的四个角上没 有一个接地引脚，所以这 ·旁边面镀铜陶瓷DIP封装，有时有阻隔的可伐合金 盖·该封装器材受容性搅扰易受损坏，所以应尽或许接地
图14?10 由可伐合金盖引起的电容效应 种可伐合金盖被悬浮。能够证明，假如这种陶瓷DIP封装器材的芯片不 被屏蔽，那么它要比塑料DIP封装的相同芯片更简单遭到电场噪声的损坏。

不管环境噪声电平有多么大，用户最好的办法是将任何旁边面镀铜陶瓷封装集成电路但凡出产 厂家没有接地的可伐合金盖接地。为了接地可将引线焊接到可伐合金盖上(这样做不会损坏 芯片，由于芯片与可伐合金盖之间热和电气阻隔)。假如无法焊接到可伐合金盖上，可运用 接地的磷青铜片做接地衔接，或运用导电涂料将可伐合金盖与接地引脚衔接。肯定不允许将 没有经过查看的实践上不允许和地衔接的可伐合金盖接地。有的器材应将可伐合金盖接到电 源端而不是接到地，就归于这种状况。在集成电路芯片的接合线(bond wires)之间不能选用法拉弟屏蔽，首要原因是在 芯片的两条接合线与其相联的引线结构之间的杂散电容大约为0?2pF(见图14?11)，观测值 一般在0?05pF至0?6pF之间。
图14?11 芯片接合线之间的杂散电容 考虑高分辨率数据转换器(ADC或DAC)，它们都与高速数据总线衔接。数据总线上的每条线( 大约都以2至5V/ns的速率传送噪声)经过上述杂散电容影响ADC或DAC的模仿端口(见图14?12 )。由此引起的数字边际耦合必然下降转换器的功能。

图14?12 高速数据总线上的数字噪 声经过杂散电容进入数据转换器的模仿端口

为了防止这个问题，不要将数据总线与数据转换器直接相连，而应运用一个 锁存缓冲器作为接口 。这种锁存缓冲器在快速数据总线与高功能数据转换器之间起到一个法拉弟 屏蔽作 用。尽管这种办法增加了附加的器材，增加了器材的占居面积，增加了功耗，稍下降了牢靠 性及稍提高了规划杂乱程度，但它能够显着地改进转换器的信噪比。