电容选用及公式计算

电容选用及公式计算☆电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。电容的符号是C。C=εS/d=εS/4πkd(真空)=Q/U在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等，换算关系是：1法拉(F)=1000毫法(mF)=1000000微法(μF)1微法(μF)=1000纳法(nF)=1000000皮法(pF)。电容与电池容量的关系：1伏安时=25法拉=3600焦耳1法拉=144焦耳相关公式一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法，即：C=Q/U但电容的大小不是由Q（带电量）或U（电压）决定的，即：C=εS/4πkd。其中，ε是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。常见的平行板电容器,电容为C=εS/d.（ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。）定义式：C=Q/U电容器的电势能计算公式：E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C多电容器并联计算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn多电容器串联计算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn三电容器串联：C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware旁路、退耦、耦合电容的选取高手和前辈们总是告诉我们这样的经验法则：“在电路板的电源接入端放置一个1～10μF的电容，滤除低频噪声；在电路板上的电源与地线之间放置一个0.01～0.1μF的电容，滤除高频噪声。”在书店里能够得到的大多数的高速PCB设计、高速数字电路设计的经典教程中也不厌其烦的引用该首选法则（老外俗称RuleofThumb）。但是为什么要这样使用呢？各位看官，如果你是电路设计高手，你可以去干点别的更重要的事情了，因为以下的内容仅是针对我等入门级甚至是门外级菜鸟。做电路的人都知道需要在芯片附近放一些小电容，至于放多大？放多少？怎么放？将该问题讲清楚的文章很多，只是比较零散的分布于一些前辈的大作中。鄙人试着采用拾人牙慧的方法将几个问题放在一起讨论，希望能加深对该问题的理解；如果很不幸，这些对你的学习和工作正好稍有帮助，那我不胜荣幸的屁颠屁颠的了。（以上有些话欠砍，在此申明以上不是我所写）什么是旁路？旁路（Bypass），在电路中为了改变某条支路的频率特性，使得它在某些频段内存在适当的阻值，而在另一些频段内则处于近似短路的状态，于是便产生了旁路电容的概念。旁路电容之所以为旁路电容，是因为它旁边还存在着一条主路，而并不是某些电容天生就是用来做旁路电容的，也就是说什么种类的电容都可以用来做旁路电容，关键在于电容容值的大小合适与否。旁路电容并不是电解电容或是陶瓷电容的专利。之所以低频电路中多数旁路电容都采用电解电容原因在于陶瓷电容容值难以达到所需要的大小。使用旁路电容的目的就是使旁路电容针对特定频率以上的信号相对于主路来说是短路的。如图形式：要求旁路电容需要取值的大小；已知：1、旁路电容要将流经电阻R的频率高于f的交流信号近似短路。求旁路电容的大小?IcIrGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware解：旁路电容C的目的就是在频率f以上将原本流经R的绝大多数电流短路；也即频率为f时，容抗远小于电阻值；12RfC12CfR当f=1khz，R=1k时，C应该远大于0.16uf。因此取47uf已近很足够了，当然再大一点也不为过，100uf都还算能接受，电容适当增大可以使得旁路更充分，而且在给定频率以上支路的品质因数更低，也就使得整个支路表现出来的容性更弱，支路对信号相位的影响更小，笔者认为旁路电容的值在上述计算值的100到1000倍都可以接受。不过如果要是大于上式计算出的值的5000倍就不太好了。不过再大也不会得到多少回报，甚至有可能带来不好的后果，因为实际的电容永远都不是一个纯粹的电容。电容越大带来的其分布电感也将更显著。什么是耦合？耦合，有联系的意思。单元电路级联时，中间如果采用的是电容来传递信号，能量通过电容从前级传至后级，则此电容即耦合电容，作为耦合电容就应当使得两级的直流信号无法串通，只有交流信号得以通过，正因为如此使得静态的设置不相互影响，那么耦合电容该如何设定呢？已知：如图，Rs表征了前级的输出电阻，R表征了后级的输入电阻，级间传递的信号频率在f以上求C的大小。解：要求信号尽可能多的传到R则C的容抗应当远小于R即：1122RCfCfRGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware=5000，需要传输的信号频率为1000hz以上，则C=0.032uf因此3.2uf便可以了，当然适当大点会更好啊，一般的电路输入电阻求起来不是一下两下的是，因而笔者建议将输入电阻取个大概的较小的值然后估算出电容的值，稍微大一点，不会有问题。由上式可知C的大小不受Rs的影响。那么Rs到底影响了什么呢？当Rs较大时，R便相对更小，前级信号传递到后级的电压值更小，也就是Rs太大，或是R太小，那么增加电容的值（即加深级间耦合的程度）也无法挽回大局，电压信号还是会降低很多。什么是退耦？退耦（Decouple），最早用于多级电路中，为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的而采取的措施。在电源中退耦表示，当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时，需要瞬时从电源线上抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低，从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰，需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。在电源电路中，旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰（自我保护）；退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰（家丑不外扬）。有人说退耦是针对低频、旁路是针对高频，我认为这样说是不准确的，高速芯片内部开关操作可能高达上GHz，由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围，为此目的的退耦电容同样需要有很好的高频特性。本文并不刻意区分退耦和旁路，认为都是为了滤除噪声，而不管该噪声的来源。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware退耦电路的形式当然不只上面图示的那样，退耦电路就一个作用就是稳定电源的电压，使电源电压不发生动摇，如果电源电压都动摇了，那么整个电路的静态都在摇，势必使得输出的信号不理想。退耦，顾名思义就是减退耦合，使得电源与后级，后级的级与级之间没有交流信号的串扰，如此而已，而之所以用两个电容只是为了达到优势互补，达到较好的隔交流的作用。印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压的作用滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波频率，可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件，根据具体的需要选择。至于个数就不一定了，看你的具体需要了，多加一两个也挺好的，暂时没用的可以先不贴，根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率比较低的话，加两个电容就可以了，一个虑除纹波，一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流，建议再加一个比较大的钽电容。其实滤波应该也包含两个方面，也就是各位所说的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理我就不说了，实用点的，一般数字电路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10个uF，去除高频噪声好些，大概按C=1/f。旁路一般就比较的小了，一般根据谐振频率一般为0.1或0.01uFGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）这就引入了谐振频率的概念：ω=1/(LC)1/2在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。至于到底用多大的电容，这是一个参考电容谐振频率电容值DIP(MHz)STM(MHz)1.0μF2.550.1μF8160.01μF25501000pF80160100pF25050010pF8001.6(GHz)GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware不过仅仅是参考而已，用老工程师的话说——主要靠经验。更可靠的做法是将一大一小两个电容并联，一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。一般来讲，大电容滤除低频波，小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比。具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi/(R*f*f)电源滤波电容如何选取，掌握其精髓与方法，其实也不难。1）理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了.2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?电容的SFR值和电容值有关,和电容的