電路設(shè)計(jì)之電容知識(shí)科普

電容是電路設(shè)計(jì)中最為普通常用的器件，是無源元件之一，有源器件簡單地說就是需能(電)源的器件叫有源器件, 無需能(電)源的器件就是無源器件。電容也常常在高速電路中扮演重要角色。

電容的作用和用途，一般都有好多種。如：在旁路、去藕、濾波、儲(chǔ)能方面的作用；在完成振蕩、同步以及時(shí)間常數(shù)的作用……

下面來詳細(xì)分析一下：

1 隔直流

作用是阻止直流通過而讓交流通過。

2 旁路（去耦）

為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。?

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旁路電容：旁路電容，又稱為退耦電容，是為某個(gè)器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它利用了電容的頻率阻抗特性（理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低），就像一個(gè)水塘，它能使輸出電壓輸出均勻，降低負(fù)載電壓波動(dòng)。旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳，這是阻抗要求，在畫PCB時(shí)候特別要注意，只有靠近某個(gè)元器件時(shí)候才能抑制電壓或其他輸信號(hào)因過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲，說白了就是把直流電源中的交流分量，通過電容耦合到電源地中，起到了凈化直流電源的作用。如下圖為旁路電容，畫圖時(shí)候要盡量靠近IC1。

去藕電容：去耦電容，是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，去耦電容相當(dāng)于電池，利用其充放電，使得放大后的信號(hào)不會(huì)因電流的突變而受干擾。它的容量根據(jù)信號(hào)的頻率、抑制波紋程度而定，去藕電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。

旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取 0.1F、0.01F 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是 10F 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來確定。如下圖為去耦電容。

它們的區(qū)別：旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。

3 耦合

作為兩個(gè)電路之間的連接，允許交流信號(hào)通過并傳輸?shù)较乱患?jí)電路 。

用電容做耦合的元件，是為了將前級(jí)信號(hào)傳遞到后一級(jí)，并且隔斷前一級(jí)的直流對(duì)后一級(jí)的影響，使電路調(diào)試簡單，性能穩(wěn)定。

如果不加電容交流信號(hào)放大不會(huì)改變，只是各級(jí)工作點(diǎn)需重新設(shè)計(jì)，由于前后級(jí)影響，調(diào)試工作點(diǎn)非常困難，在多級(jí)時(shí)幾乎無法實(shí)現(xiàn)。

4 濾波

這個(gè)對(duì)電路而言很重要，CPU背后的電容基本都是這個(gè)作用。

即頻率f越大，電容的阻抗Z越小。當(dāng)?shù)皖l時(shí)，電容C由于阻抗Z比較大，有用信號(hào)可以順利通過；當(dāng)高頻時(shí)，電容C由于阻抗Z已經(jīng)很小了，相當(dāng)于把高頻噪聲短路到GND上去了。

濾波作用：理想電容，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。電解電容一般都是超過 1uF ，其中的電感成份很大，因此頻率高后反而阻抗會(huì)大。我們經(jīng)常看見有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，其實(shí)大的電容通低頻，小電容通高頻，這樣才能充分濾除高低頻。電容頻率越高時(shí)候則衰減越大，電容像一個(gè)水塘，幾滴水不足以引起它的很大變化，也就是說電壓波動(dòng)不是你很大時(shí)候電壓可以緩沖，如下圖。
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5 溫度補(bǔ)償

針對(duì)其它元件對(duì)溫度的適應(yīng)性不夠帶來的影響，而進(jìn)行補(bǔ)償，改善電路的穩(wěn)定性。

分析：由于定時(shí)電容的容量決定了行振蕩器的振蕩頻率，所以要求定時(shí)電容的容量非常穩(wěn)定，不隨環(huán)境濕度變化而變化，這樣才能使行振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定。因此采用正、負(fù)溫度系數(shù)的電容釋聯(lián)，進(jìn)行溫度互補(bǔ)。

當(dāng)工作溫度升高時(shí)，Cl的容量在增大，而C2的容量在減小，兩只電容并聯(lián)后的總?cè)萘繛閮芍浑娙萑萘恐?，由于一個(gè)容量在增大而另一個(gè)在減小，所以總?cè)萘炕静蛔儭?/p>

同理，在溫度降低時(shí)，一個(gè)電容的容量在減小而另一個(gè)在增大，總的容量基本不變，穩(wěn)定了振蕩頻率，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償目的。

6 計(jì)時(shí)

電容器與電阻器配合使用，確定電路的時(shí)間常數(shù)。

輸入信號(hào)由低向高跳變時(shí)，經(jīng)過緩沖1后輸入RC電路。電容充電的特性使B點(diǎn)的信號(hào)并不會(huì)跟隨輸入信號(hào)立即跳變，而是有一個(gè)逐漸變大的過程。當(dāng)變大到一定程度時(shí)，緩沖2翻轉(zhuǎn)，在輸出端得到了一個(gè)延遲的由低向高的跳變。

時(shí)間常數(shù)：以常見的 RC 串聯(lián)構(gòu)成積分電路為例，當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí)，電容上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小，電阻R和電容C串聯(lián)接入輸入信號(hào)VI，由電容C輸出信號(hào)V0，當(dāng)RC (τ)數(shù)值與輸入方波寬度tW之間滿足：τ》》tW，這種電路稱為積分電路

7 調(diào)諧

對(duì)與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧，比如手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)。

上圖，變?nèi)?a target="_blank">二極管的調(diào)諧電路。

因?yàn)閘c調(diào)諧的振蕩電路的諧振頻率是lc的函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)振蕩電路的最大與最小諧振頻率之比隨著電容比的平方根變化。此處電容比是指反偏電壓最小時(shí)的電容與反偏電壓最大時(shí)的電容之比。因而，電路的調(diào)諧特征曲線（偏壓一諧振頻率）基本上是一條拋物線。

8 整流

在預(yù)定的時(shí)間開或者關(guān)半閉導(dǎo)體開關(guān)元件。

9 儲(chǔ)能

儲(chǔ)存電能，用于必須要的時(shí)候釋放。

例如相機(jī)閃光燈，加熱設(shè)備等等．（如今某些電容的儲(chǔ)能水平己經(jīng)接近鋰電池的水準(zhǔn)，一個(gè)電容儲(chǔ)存的電能可以供一個(gè)手機(jī)使用一天。

儲(chǔ)能作用：一般地，電解電容都會(huì)有儲(chǔ)能的作用。對(duì)于專門的儲(chǔ)能作用的電容，電容儲(chǔ)能的機(jī)理為雙電層電容以及法拉第電容，其主要形式為超級(jí)電容儲(chǔ)能，其中超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器，當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。

編輯：黃飛

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