PCB设计之电容篇

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。