PCB设计之电容篇

admin

1.电容的结构和特性
        给导体加电位，导体就带上电荷。但对于相同的电位，导体容纳电荷的数量却因它本身结构的不同而不同。导体能够容纳电荷的能力称为电容。 通常，某导体容纳的电荷Q（库仑）与它的电位V（伏特，相对于大地）成正比，即有 ， 所以 ，C就是该导体的电容量。电容的单位是法拉（F）， 。
         

       

        图1 电容器的结构和符号

         

        如图1（a）所示，在两块平行的金属板之间插入绝缘介质，且引出电极就成为了电容器。它的电路符号见图1（b）所示，分别为有极性电容和无极性电容。
         
        若给电容器充电，电容器的两极板上就会积累电荷。如图2（a）所示为给电容量为C的电容器以恒定电流强 度I充电示意图。假设电容器初始不带电荷，即它两端的初始电压等于零。我们回忆电流的定义：电荷在导体内流动形成了电流，单位时间内流过导体横截面的电荷 量称为电流强度，即有 ，则 ，又因在电容器中有 ，故 ，所以 。
         
        即电容量为C的电容器在恒定电流强度I的作用下，两端电压V随时间t线性上升，上升曲线如图2（b）所示。
         

       

        图2 给电容器恒流充电

         

        电容器两端的电压越高则所容纳的电荷就越多，即储能就越大。但电容器两极板间绝缘介质的耐电强度是有限的，若两极板间的电场强度太高，就可能将绝缘介质击穿，从而使电容器短路。因此在应用中要兼顾电容器的耐压。
         
        结论：电容器在电路中有容纳电荷的作用，也即存储能量的作用。电容器存储能量是需要时间的，因此电容器两端电压不能突变。且电容量越大，可存储的能量就越多。电容器最重的两个参数是它的电容量和耐压。
         
        2.RC充放电回路
        图3（a）所示电路是以一个RC充放电回路示意图。假设电容器两端的初始电压为零，开关K与1端接通的瞬间，电源通过电阻R对电容器充电，此时电容器的充电电流为最大E/R，若持续以这个电流充电，则VC的上升曲线是一条线性的直线，如图3（b）中的虚线所示。
         

       

        图3 RC充放电回路

         

        但是因在整个充电过程中充电电流为 ，故随着VC的上升，充电电流强度IC逐渐减小，则VC上升的幅度也逐渐变小，直到上升至电源电压E，同时充电电流为0。这样使实际的VC上升曲线如图3（b）所示。VC是按指数规律上升的，它随时间t变化的表达式为：

       

         

        其中， 为时间常数。
        可以看出串联电阻R越大，充电电流就越小，则充电时间就越长；电容量C越大，所需要的电荷就越多（即储能越多），充电时间也就越长。
         
        当电容充满电后，VC等于E。此时开关K与2端接通，则电容器通过R放电，放电电流为 ，VC逐渐降低。在接通2端的瞬间，放电电流为最大 ，但随着VC的降低，放电电流也逐渐降低，直至VC为0V，放电电流也为0。这样以来，电容放电时VC的下降曲线如图1.7（c）所示。VC也是按指数规律下降的，它随时间t变化的表达式为：

       

        3.电容的容抗
        在电路中电容有一个很重要的作用，就是通交流、隔直流。若一个直流电压加在电容的一端，则电容稳定后 （即充放电过程完成后），在电容的另一端不能感受到这个电压，即直流被隔开，这一点我们从RC充放电回路也可以看出来；若输入Vi是一个交流信号，则Vo 会输出同频率的交流信号，且输入交流信号频率越高，输出Vo的幅度就越大，即交流信号通过了这个电容。
         
        其实我们可以这样来理解，交流信号的幅度和方向都是随时间变化的，而电容对电压的反应是有隋性的，即它 两端的电压不能突变。当电容器一个极板的电位随输入信号变化较快时，电容器两端的电压变化较慢，则引起它的另一个极板的电位也跟着以同样的方式变化。这样 以来，虽然有一些损失（电容两端电压毕竟变化了一点），但也相当于交流信号通过了这个电容器。而且，输入信号变化的越快（即频率越高），电容器容量越大 （即它两端的电压变化越慢），就越容易通过。
         
        在电路中，电容器C对信号的容抗为：

       

        式中f为信号的频率，单位为赫兹，容抗XC的单位为欧姆。
         
        4.电容的滤波作用
        利用电容的特性我们可以制作滤波器。如图4（a）所示的电路就是一个高通滤波器，即输入信号频率越高则越容易通过，频率越低越不容易通过，不允许直流通过，这样就可滤除信号中的低频率成份。相反图4（b）所示的电路则是一个低通滤波器，它可以滤除信号中的高频成份。
         

       

        （a）高通滤波器 （b）低通滤波器

        图4 滤波器电路

         

        5.常用电容器的分类
        电容的选取要慎重，一般可选择较知名的电容品牌，如TDK电容、国巨电容等，作为质量的保证。
         
        （1）铝电解电容
        铝电解电容为有极性电容，在电路中它的“+”极必须要接电位较高的一端。它的实物照片如图5（a）所示。
         
        优点：容量大，能耐受大的脉动电流。
         
        缺点：容量误差大，泄漏电流大；普通电解电容器不适于在高频和低温下应用，不宜使用在25kHz以上频率。
         

       

        图5 电容实物

        用途：低频旁路、信号耦合、电源滤波。
         
        （2）钽电解电容
        钽电解电容也为有极性电容。实物照片如图5（b）所示。
         
        优点：温度特性、频率特性和可靠性均优于普通电解电容器，特别是漏电流极小，寿命长，容量误差小，而且体积小，单位体积下能得到最大的电容电压乘积。
         
        缺点：对脉动电流的耐受能力差，若损坏易呈短路状态，价格较高。
         
        用途：在许多场合可替代铝电解电容，用于超小型高可靠性设备中。
         
        （3）单片陶瓷电容
        是目前用量较大的电容。实物照片如图5（c）所示。
         
        优点：温度和频率稳定性都很好，损耗低，寿命长。
         
        缺点：不能做成大容量电容。
         
        用途：高频滤波、振荡和耦合等。
         
        ...........................................................
         
         
         与非深度解读系列:
         
        半导体公司“大学计划”的追问和真相
        大环境的不景气是就业环境恶化的元凶，但是也让我们不禁追问半导体公司的大学计划对于学子们的真正意义。厂商们的大学计划都在做些什么？那么多的联合实验室有得到充分利用吗？大学计划的直接体验者--老师和学生们是否真正从中受益…….【专栏作者：高扬】
         
        本土IC公司调查笔记
        全球经济不景气的大环境下一些本土IC公司的创新能力、管理能力、抗风险能力、盈利能力，甚至公司创立的动机都受到一些质疑。一方面官方的消息总是告诉我们中国的半导体产业得到了长足的进步；而街巷小道中又不绝流传多少本土IC公司倒闭，多少公司靠欺骗，根本没有核心竞争力….真相只有一个，也许会随《本土IC公司调查笔记》慢慢开启…【专栏作者：岳浩】
         
        电子屌丝的技术人生系列
        在这个系列里，每个故事都会向你展示一个普通工程师的经历，他们的青葱岁月和技术年华，和我们每个人的的生活都有交集。对自己、对公司、对产业、对现在、对未来、对技术、对市场、对产品、对管理的看法，以及他们的经历或正在经历的事情，我们可以看到自己的影子，也看清未来的样子……【专栏作者：任亚运】
         
        细说电子分销江湖的那些事
        对于从事电子分销行业的同仁们来说这是一个最坏的年代，也是一个最好的年代，我们即面临国际分销巨头在管理、资金、货源等方面对我们造成的冲击，又迎来本土集成电路的崛起，个性化服务盛行的机遇，通过这个系列，我想以“第一现场”的经历带大家一起了解国内集成电路分销的那些年、那些事，以及哪些感慨…..【专栏作者：张立恒】
         
        与非网专栏作者申请
        联系人：高扬  
           邮箱：gaoyang@eefocus.com