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(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(shí)隔直流信號)
·去耦(濾掉交流信號或?yàn)V掉疊加在直流信號上的高頻信號或?yàn)V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?yàn)槠渌愋偷碾娙萜鳎从?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(shí)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(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 明中都有詳細(xì)說明。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。

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(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(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(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(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)頻率只要超過幾兆赫時(shí)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?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?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：在電容器選擇表中，我看到“損耗因數(shù)”這個(gè)術(shù)語。請問它 的含義是什么?

答：好。因?yàn)殡娙萜鞯男孤╇娮琛⒌刃Т?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，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(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(shí)也給出這項(xiàng)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?yàn)榛謴?fù)電荷的數(shù)量是原來電荷的函數(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。

關(guān)于高頻去耦的一般說明：

保證對模擬電路在高頻和低頻去耦都合適的最好方法是用電解電容器，例如一個(gè)鉭片電容與 一個(gè)單片陶瓷電容器相并聯(lián)。這樣兩種電容器相并聯(lián)不但在低頻去耦性能很好，而且在頻率 很高的情況下仍保持優(yōu)良的性能。除了關(guān)鍵集成電路以外，一般不必每個(gè)集成電路都接一個(gè) 鉭電容器。如果每個(gè)集成電路和鉭電容器之間相當(dāng)寬的印制線路板導(dǎo)電條長度小于10cm，可 在幾個(gè)集成電路之間共用一個(gè)鉭電容器。

關(guān)于高頻去耦另一個(gè)需要說明的問題是電容器的實(shí)際物理分布。甚至很短的引線都有不可忽 視的電感，所以安裝高頻去耦電容器應(yīng)當(dāng)盡量靠近集成電路，并且做到引腳短，印制線路板 導(dǎo)電條寬。

為了消除引腳電感，理想的高頻去耦電容器應(yīng)該使用表面安裝元件。只要電容器的引腳長度 不超過1?5mm，還是選擇末端引線電容器(wire?ended capacitors)。電容器的正確使用方 法如圖14?5所示。

(a) 正確方法 (b) 錯(cuò)誤方法
·使用低電感電容器(單片陶瓷電容器)
·安裝電容器靠近集成電路
·使用表面安裝電容器
·短引腳、寬導(dǎo)電條

圖14?5 電容器的正確使用 雜散電容

前面我們已經(jīng)討論了電容器像元件一樣的寄生作

表14?1 各種電容器件性能比較表

類型典型介質(zhì)吸收優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)

NPO陶瓷電容器
吸收＜0?1%
外型尺寸小、價(jià)格便宜、穩(wěn)定性好、電容值范圍寬、 銷售商多、電感低
通常很低，但又無法限制到很小的數(shù)值(10nF)

聚苯乙烯電容器 0?001%～0 ?02%
價(jià)格便宜、DA很低、電容值范圍寬、穩(wěn)定性好
溫度高于85°C，電容器受到損害、外形尺寸大、電感高

聚丙烯電容器 0?001%～0?0 2%
價(jià)格便宜、DA很低、電容值范圍寬
溫度高于+105°C，電容器受到損害、外形尺寸大、電感

聚四氟乙烯電容器 0?003%～ 0?02%
DA很低、穩(wěn)定性好、可在+125°C以上溫度工作、電容值范圍寬
價(jià)格相當(dāng)貴、外形尺寸大、電感高

MOS電容器 0?01%
DA性能好，尺寸小，可在+25°C以上溫度工作，電感低
限制供應(yīng)、只提供小電容值

聚碳酸酯電容器 0?1%
穩(wěn)定性好、價(jià)格低、溫度范圍寬
外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感高

聚酯電容器 0?3%～0?5%
穩(wěn)定性中等、價(jià)格低、溫度范圍寬、電感低
外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感高

單片陶瓷電容器(高k值)＞0?2%
電感低、電容值范圍寬
穩(wěn)定性差、DA性能差、電壓系數(shù)高

云母電容器 ＞0?003%
高頻損耗低、電感低、穩(wěn)定性好、效率優(yōu)于1%
外形尺寸很大、電容值低(＜10nF)、價(jià)格貴

鋁電解電容器 很高
電容值高、電流大、電壓高、尺寸小
泄漏大、通常有極性、穩(wěn)定性差、精度低、電感性

鉭電解電容器 很高
尺寸小、電容值大、電感適中
泄漏很大、通常有極性、價(jià)格貴、穩(wěn)定性差、精度差

用，下面讓我們討論一下稱作“雜散”電容(stray capacitance)的另一種寄生作用。
問：什么是雜散電容?
答：像平行板電容器一樣，(見圖14?6)不論什么時(shí)候，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體彼此非常靠 近 (尤其是當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體保持平行時(shí))，便產(chǎn)生雜散電容。它不能不斷地減小，也不能像法拉弟屏 蔽一樣用導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽。

C=0.0085×E R ×Ad
其中：
C=電容，單位pF
E R =空氣介電常數(shù)
A=平行導(dǎo)體面積，單位mm 2
d=平行導(dǎo)體間的距離，單位mm
圖14?6 平行板電容器模型

雜散電容或寄生電容一般出現(xiàn)在印制線路板上的平行導(dǎo)電條之間或印制線路板的相對 面上的導(dǎo)電條或?qū)щ娖矫嬷g，見圖14?7。雜散電容的存在和作用，尤其是在頻率很高 時(shí)，在電路設(shè)計(jì)中常常被忽視，所以在制造和安裝系統(tǒng)線路板時(shí)會產(chǎn)生嚴(yán)重的性能問 題，例如，噪聲變大，頻率響應(yīng)降低，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。
通過實(shí)例說明如何用上述電容公式計(jì)算印制線路板相對面上的導(dǎo)電條產(chǎn)生的雜散電容 。對于普通的印制線路板材料，E R =4?7,d=1?5mm，則其單位面積雜

散電容為3pF/cm 2 。在250MHz頻率條件下，3pF電容對應(yīng) 的電抗為212?2Ω。

問：請問如何消除雜散電容?
答：實(shí)際上從來不能消除雜散電容。最好的辦法只能設(shè)法將雜散電容對電路的影 響減到最小。

問：那么應(yīng)該如何減小雜散電容呢?
答：減小雜散電容耦合影響的一種方法是使用法拉弟屏蔽(Faraday shield)，它 是在耦合源與受影響電路之間的一種簡捷接地導(dǎo)體。

問：雜散電容是如何起作用的?
答：讓我們看一下圖14?8。圖中示出了高頻噪聲源V N 如何通過雜散電容C 耦合到系統(tǒng)阻抗Z的等效電容。如果我們幾乎或不能控制V N ，或不能改變電路阻抗Z 1 的位置，那么最好的解決方法是插入一個(gè)法拉弟屏蔽。 圖14?9示出了法拉弟屏蔽中斷耦合電場的情況。

圖14?8 通過雜散電容耦合的電壓噪聲
(a) 電容屏蔽中斷耦合電場
(b) 電容屏蔽使噪聲電流返回到噪聲源，而不通過阻抗Z 1

圖14?9 法拉弟電容屏蔽

請注意法拉弟屏蔽使噪聲和耦合電流直接返回到噪聲源，而不再通過阻抗Ｚ 1 。
電容耦合的另一個(gè)例子是側(cè)面鍍銅陶瓷集成電路外殼。這種DIP封裝，在陶瓷封裝的頂上有 一小塊方形的導(dǎo)電可伐合金蓋，這塊可伐合金蓋又被焊接到一個(gè)金屬圈(metallized rim)上 (見圖14?10)。生產(chǎn)廠家只能提供兩種封裝選擇：一種是將金屬圈連接到器件封裝角上的一 個(gè)引 腳上；另一種是保留金屬圈不連接。大部分邏輯電路在器件封裝的某一角上有一個(gè)接地引腳 ，所以這種器件的可伐合金蓋接地。但是許多模擬電路在器件封裝的四個(gè)角上沒 有一個(gè)接地引腳，所以這 ·側(cè)面鍍銅陶瓷DIP封裝，有時(shí)有隔離的可伐合金 蓋·該封裝器件受容性干擾易受損壞，所以應(yīng)盡可能接地
圖14?10 由可伐合金蓋引起的電容效應(yīng) 種可伐合金蓋被懸浮。可以證明，如果這種陶瓷DIP封裝器件的芯片不 被屏蔽，那么它要比塑料DIP封裝的同樣芯片更容易受到電場噪聲的損壞。

不論環(huán)境噪聲電平有多么大，用戶最好的辦法是將任何側(cè)面鍍銅陶瓷封裝集成電路凡是生產(chǎn) 廠家沒有接地的可伐合金蓋接地。為了接地可將引線焊接到可伐合金蓋上(這樣做不會損壞 芯片，因?yàn)樾酒c可伐合金蓋之間熱和電氣隔離)。如果無法焊接到可伐合金蓋上，可使用 接地的磷青銅片做接地連接，或使用導(dǎo)電涂料將可伐合金蓋與接地引腳連接。絕對不允許將 沒有經(jīng)過檢查的實(shí)際上不允許和地連接的可伐合金蓋接地。有的器件應(yīng)將可伐合金蓋接到電 源端而不是接到地，就屬于這種情況。在集成電路芯片的接合線(bond wires)之間不能采用法拉弟屏蔽，主要原因是在 芯片的兩條接合線與其相聯(lián)的引線框架之間的雜散電容大約為0?2pF(見圖14?11)，觀測值 一般在0?05pF至0?6pF之間。
圖14?11 芯片接合線之間的雜散電容 考慮高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC或DAC)，它們都與高速數(shù)據(jù)總線連接。數(shù)據(jù)總線上的每條線( 大約都以2至5V/ns的速率傳送噪聲)通過上述雜散電容影響ADC或DAC的模擬端口(見圖14?12 )。由此引起的數(shù)字邊緣耦合勢必降低轉(zhuǎn)換器的性能。

圖14?12 高速數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字噪 聲通過雜散電容進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬端口

為了避免這個(gè)問題，不要將數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器直接相連，而應(yīng)使用一個(gè) 鎖存緩沖器作為接口 。這種鎖存緩沖器在快速數(shù)據(jù)總線與高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間起到一個(gè)法拉弟 屏蔽作 用。雖然這種方法增加了附加的器件，增加了器件的占居面積，增加了功耗，稍降低了可靠 性及稍提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，但它可以明顯地改善轉(zhuǎn)換器的信噪比。