電容器的寄生作用與雜散電容

電容器的寄生作用

問：我想知道如何為具體的應用選擇合適的電容器，但我又不清楚許多不同種類 的電容器有哪些優點和缺點?
答：為具體的應用選擇合適類型的電容器實際上并不困難。一般來說，按應用分 類，大多數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，同時隔直流信號)
·去耦(濾掉交流信號或濾掉疊加在直流信號上的高頻信號或濾掉電源、基準電源 和信號電路中的低頻成分)
·有源或無源RC濾波或選頻網絡
·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 是對某一具體應用來說，最合適的電容器通常只有一兩種，因為其它類型的電容器，要么有 的性能明顯不完善，要么有的對系統性能有“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，“實際”電容器用附加的“寄生”元件或“非理想 ”性能來表征，其表現形式為電阻元件和電感元件，非線性和介電存儲性能。“實際”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，通常在電容器生產廠家的產品說 明中都有詳細說明。在每項應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。

圖14.2 “實際”電容器模型

問：那么表征非理想電容器性能的最重要的參數有哪些?
答：最重要的參數有四種：電容器泄漏電阻RL(等效并聯電阻EPR)、等效串聯電 阻(ESR)、等效串聯電感(ESL)和介電存儲(吸收)。
電容器泄漏電阻，RP：在交流耦合應用、存儲應用(例如模擬積分器和采 樣保持器)以及當電容器用于高阻抗電路時，RP是一項重要參數，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該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的RP使電荷以R?C時間常 數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。

等效串聯電阻(ESR)，R ESR ：電容器的等效串聯 電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個極板的等效電阻相串聯構成的。當有大的交流電流 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。

等效串聯電感(ESL)，L ESL ：電容器的等效串聯電 感是由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯構成的。像R ESR 一樣，L ESL 在射頻或高頻工作環境下也會出現嚴重問題，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行適當去耦的主要原因。

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 層塑料或紙介質把兩張金屬箔隔開然后卷成一個卷筒制成的。這種結構的電容具有相當大的 自 感，而且當頻率只要超過幾兆赫時主要起電感的作用。對于高頻去耦更合適的選擇應該是單 片陶瓷電容器，因為它們具有很低的等效串聯電感。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 現自共振，具有很高的Q值，因為串聯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，雖然價格不太貴，但有時電感很大。

問：在電容器選擇表中，我看到“損耗因數”這個術語。請問它 的含義是什么?

答：好。因為電容器的泄漏電阻、等效串聯電阻和等效串聯電感，這三項指標幾 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指標，稱作損耗因數(disspat ion factor)，或DF，主要用來描述電容器的無效程度。損耗因數定義為電容器每周期損耗 能量與儲存能量之比。實際上，損耗因數等于介質的功率因數或相角的余弦值。如果電容 器在關心頻帶范圍的高頻損耗可以簡化成串聯電阻模型，那么等效串聯電阻與總容抗之比是 對損耗因數的一種很好的估算，即DF≈ωR ESR C還可以證明，損耗因數等于電容器品質因數或Q值的倒數，在電容器制造廠家的產品說明中 有時也給出這項指標。介質吸收，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。介質吸收是 一種有滯后性質的內部電荷分布，它使快速放電然后開路的電容器恢復一部分電荷，見圖 14?4。因為恢復電荷的數量是原來電荷的函數 ，實際上這是一種電荷記憶效應。如果把這種電容器用作采樣保持放大器中的保

圖14?4 介質吸收作用使電容器快速放電 然后開路以恢復原來一部分電荷

持電容器，那么勢必對測量結果產生誤 差。對于這種類型應用推薦的電容器，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。這類電容器介質吸收率很低(典型值＜0?01%)。 常見電容器特性比較見表14?1。

關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，例如一個鉭片電容與 一個單片陶瓷電容器相并聯。這樣兩種電容器相并聯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良的性能。除了關鍵集成電路以外，一般不必每個集成電路都接一個 鉭電容器。如果每個集成電路和鉭電容器之間相當寬的印制線路板導電條長度小于10cm，可 在幾個集成電路之間共用一個鉭電容器。

關于高頻去耦另一個需要說明的問題是電容器的實際物理分布。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當盡量靠近集成電路，并且做到引腳短，印制線路板 導電條寬。

為了消除引腳電感，理想的高頻去耦電容器應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、寬導電條

圖14?5 電容器的正確使用 雜散電容

前面我們已經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

類型典型介質吸收優 點缺 點

NPO陶瓷電容器
吸收＜0?1%
外型尺寸小、價格便宜、穩定性好、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值(10nF)

聚苯乙烯電容器 0?001%～0 ?02%
價格便宜、DA很低、電容值范圍寬、穩定性好
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、穩定性好、可在+125°C以上溫度工作、電容值范圍寬
價格相當貴、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、只提供小電容值

聚碳酸酯電容器 0?1%
穩定性好、價格低、溫度范圍寬
外形尺寸大、DA限制到8位應用、電感高

聚酯電容器 0?3%～0?5%
穩定性中等、價格低、溫度范圍寬、電感低
外形尺寸大、DA限制到8位應用、電感高

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

云母電容器 ＞0?003%
高頻損耗低、電感低、穩定性好、效率優于1%
外形尺寸很大、電容值低(＜10nF)、價格貴

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、價格貴、穩定性差、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)不論什么時候，當兩個導體彼此非常靠 近 (尤其是當兩個導體保持平行時)，便產生雜散電容。它不能不斷地減小，也不能像法拉弟屏 蔽一樣用導體進行屏蔽。

C=0.0085×E R ×Ad
其中：
C=電容，單位pF
E R =空氣介電常數
A=平行導體面積，單位mm 2
d=平行導體間的距離，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在印制線路板上的平行導電條之間或印制線路板的相對 面上的導電條或導電平面之間，見圖14?7。雜散電容的存在和作用，尤其是在頻率很高 時，在電路設計中常常被忽視，所以在制造和安裝系統線路板時會產生嚴重的性能問 題，例如，噪聲變大，頻率響應降低，甚至使系統不穩定。
通過實例說明如何用上述電容公式計算印制線路板相對面上的導電條產生的雜散電容 。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 的電抗為212?2Ω。

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

問：那么應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 。
電容耦合的另一個例子是側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 一小塊方形的導電可伐合金蓋，這塊可伐合金蓋又被焊接到一個金屬圈(metallized rim)上 (見圖14?10)。生產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角上沒 有一個接地引腳，所以這 ·側面鍍銅陶瓷DIP封裝，有時有隔離的可伐合金 蓋·該封裝器件受容性干擾易受損壞，所以應盡可能接地
圖14?10 由可伐合金蓋引起的電容效應 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。

不論環境噪聲電平有多么大，用戶最好的辦法是將任何側面鍍銅陶瓷封裝集成電路凡是生產 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，因為芯片與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 沒有經過檢查的實際上不允許和地連接的可伐合金蓋接地。有的器件應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 考慮高分辨率數據轉換器(ADC或DAC)，它們都與高速數據總線連接。數據總線上的每條線( 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 )。由此引起的數字邊緣耦合勢必降低轉換器的性能。

圖14?12 高速數據總線上的數字噪 聲通過雜散電容進入數據轉換器的模擬端口

為了避免這個問題，不要將數據總線與數據轉換器直接相連，而應使用一個 鎖存緩沖器作為接口 。這種鎖存緩沖器在快速數據總線與高性能數據轉換器之間起到一個法拉弟 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 性及稍提高了設計復雜程度，但它可以明顯地改善轉換器的信噪比。