王志功電路及電子線路基礎(chǔ)(電路部分)電子教案第6章

1、東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電路與電子線路基礎(chǔ)Fundamental Electric and Electronic Circuits第6章 電容與電容模型電容與電容模型 王志功 東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所http:/ 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10第第6章章 電容與電容模型電容與電容模型6.1 電容原理電容原理6.2 商用電容元件商用電容元件6.3 集成電路電容集成電路電容6.4 電容的電容的SPICE語句描述語句描述東東 南南

2、 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10靜電現(xiàn)象與電容靜電現(xiàn)象與電容 n 通常,物體是電中性的（electrical neutral）。物體的帶電可以有種種原因，比如，摩擦生電、感應(yīng)帶電和電源驅(qū)動(dòng)帶電等等。其實(shí)，摩擦生電和感應(yīng)生電屬于靜電現(xiàn)象，而電源驅(qū)動(dòng)帶電實(shí)際上已不屬于靜電學(xué)范疇。n 兩種絕緣材料間相對(duì)摩擦，使某些分子丟失了外層電子，留下了正電荷，或者意外地獲得了一些電子，使物體帶負(fù)電荷。這些束縛電荷（bound charge）的存在，使絕緣材料成為帶電體。如果沒有漏電現(xiàn)象，這些電荷會(huì)一直保存下去。所以摩擦生電是一種靜電發(fā)生器(s

3、tatic electrical generator)，或者說是一種電荷存儲(chǔ)器(charge storage)。雖然，目前人類還沒有有效地利用它，有朝一日，也許會(huì)得到利用的。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電偶極子與介質(zhì)極化電偶極子與介質(zhì)極化n 當(dāng)一個(gè)不帶電的絕緣體接近一個(gè)帶電體時(shí)，絕緣體內(nèi)部的正負(fù)電荷將受到帶電體的影響。如下圖所示，每個(gè)分子中的負(fù)電荷被吸引，正電荷被斥。盡管外層電子不可能被剝離，但是，分子被拉長了，形成了電偶極子（dipole）。許許多多的電偶極子作用總和，使得該絕緣體的一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電，另一側(cè)是正電

4、。整個(gè)絕緣體仍然是電中性的，它不是帶電體，只是在靜電感應(yīng)下發(fā)生了極化（polarization）。n 絕緣體的感應(yīng)帶電和介質(zhì)極化要作功。人們移動(dòng)絕緣體時(shí)所作的功，轉(zhuǎn)化的能量就形成了在帶電體與絕緣體之間的靜電場中極化的分子。極化的分子，被比喻為拉長了的分子，將以彈性位移方式存儲(chǔ)能量。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10金屬導(dǎo)體的金屬導(dǎo)體的靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)n 金屬導(dǎo)體內(nèi)部含有無限多個(gè)自由電子，在帶電體的正電荷吸引下，電子被吸向左側(cè)。導(dǎo)體的正電荷被排斥，迅速轉(zhuǎn)移到右側(cè)。這時(shí)，整個(gè)金屬導(dǎo)體仍然是電中性的，不是帶電體，它僅僅是

5、感應(yīng)帶電。n 要使金屬導(dǎo)體感應(yīng)帶電，也需要作功。這些功就轉(zhuǎn)化為帶電體與金屬導(dǎo)體間靜電場的位能。一旦取走帶電體，或彼此分離很遠(yuǎn)，靜電感應(yīng)就消失，位能釋放，恢復(fù)原始狀態(tài)。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10用金屬用金屬棒相棒相聯(lián)的聯(lián)的兩個(gè)兩個(gè)金屬極板金屬極板n 將兩個(gè)金屬極板用金屬棒相聯(lián)，見左下圖。在帶電體的感應(yīng)下，左極板帶負(fù)電荷，右極板帶正電荷。n 將金屬棒彎曲，把右極板彎到左邊，與原來的左極板相對(duì)，如右下圖所示。這樣，就可以用原來右極板上的正電荷來感應(yīng)另一極板上的負(fù)電荷，它們可以彼此感應(yīng)，從而就不需要原來的帶電體，可

6、把它拿走。n 但這樣的系統(tǒng)是不存在的，多余電子一方必然會(huì)迅速將多余的電子通過外電路轉(zhuǎn)移到缺少電子的一側(cè)。平衡后，兩個(gè)極板上都沒有感應(yīng)電荷，極板間沒有電場。n 結(jié)論：沒有帶電體的無源系統(tǒng)不可能產(chǎn)生感應(yīng)電荷。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10聯(lián)接到一個(gè)電池兩個(gè)金屬導(dǎo)體聯(lián)接到一個(gè)電池兩個(gè)金屬導(dǎo)體n 將電池E的正負(fù)極分別聯(lián)接到金屬導(dǎo)體A和B上，使B帶負(fù)電。它通過靜電感應(yīng)吸引著導(dǎo)體A中的正電荷，驅(qū)趕負(fù)電荷。電池驅(qū)動(dòng)下，電子e源源不斷地從負(fù)極送來，加到導(dǎo)體B上，使導(dǎo)體B上的負(fù)電荷不斷增加。同時(shí)，導(dǎo)體A中的電子e又源源不斷地被電

7、池正極所吸收。A上的正電荷也相應(yīng)地增加。n 因?yàn)閷?dǎo)體A與B是不通的，這些正負(fù)電荷不會(huì)中和。相反，它們互相對(duì)峙，互相感應(yīng)，互相吸引。n 在導(dǎo)體A與B之間產(chǎn)生了電場，建立了電位差VAVB。導(dǎo)體A和B已分別充了電荷+Q和Q。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的原理電容器的原理n 如果把電池拿走，如下圖所示。這樣，在導(dǎo)體B上多余的電子無法返回，導(dǎo)體A上缺損的電子也無法補(bǔ)充，正負(fù)電荷無法中和，所以，正負(fù)電荷Q將永遠(yuǎn)保留在導(dǎo)體A、B上。A、B間永遠(yuǎn)存在著電場和電位差VAVB。n 可見，電池驅(qū)動(dòng)帶電同感應(yīng)帶電不同。一旦導(dǎo)體

8、充電，電荷可以存儲(chǔ)。人們很快就得出結(jié)論：兩個(gè)彼此分離的導(dǎo)體，可以存儲(chǔ)電荷。利用這個(gè)原理，人們可以做儲(chǔ)電器，現(xiàn)在已統(tǒng)稱電容器（capacitor）。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10高斯定理（高斯定理（Gauss theorem） n 電容器能存儲(chǔ)電荷量由高斯定理來確定： 式中的E是導(dǎo)體A、B間的電場強(qiáng)度（electric field strength），也是電通量密度。e0是真空的介電常數(shù)（dielectric constant）。n 高斯定理是說：如果我們圍繞著電荷Q作任一閉合曲面S，那么，法向穿過該曲面的電通量，

9、即電力線總數(shù)等于Q/ e0 。由此可見，電容中存放的電容量Q取決于該電荷在導(dǎo)體A，B之間所建立的電場強(qiáng)度E。 0SeQdsE東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電場強(qiáng)度與電位差電場強(qiáng)度與電位差n 在靜電學(xué)中，電場強(qiáng)度E定義為單位正電荷在電場中所受到的作用力。電荷沿著電場方向的任何移動(dòng)，電場都需作功。人們把單位正電荷移到無限遠(yuǎn)所作的功定義為該點(diǎn)的電位，即n 于是，把單位正電荷從A處移到B處電場所作的功定義為A，B之間的電位差。 上式給出導(dǎo)體A、B間的電場E與電位差VAVB之間的關(guān)系。aadlEVBABABABAaVVdl

10、EdlEdlEdlEdlEV東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容中允許存儲(chǔ)的電荷電容中允許存儲(chǔ)的電荷Q n 電容中允許存儲(chǔ)的電荷Q，取決于電容中允許存在的電場強(qiáng)度E，而E取決于VAVB，故n Q與E成正比，E與VAVB(VAB)成正比，于是上式可寫成 式中C是比例常數(shù)，稱為電容量（capacity）。它定義為每單位電位差可以存儲(chǔ)多少單位的電荷量。在國際單位制（SI）中，電壓的單位為伏特，電量單位為庫倫，則電容量C的單位為法拉（Farad）簡寫為F。 ）（）（ABBAVfVVfQABBAVCVVCQ）（東東 南南 大

11、大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容充電到電容充電到VAB值所需的功值所需的功 n 轉(zhuǎn)移單位正電荷所需的功在不同充電電荷狀態(tài)下是不同的。當(dāng)電容內(nèi)的電荷Q較小時(shí)，轉(zhuǎn)移單位正電荷所需之功VAVB也較小。當(dāng)電容內(nèi)的電荷Q增大時(shí)，轉(zhuǎn)移單位正電荷所需之功VAVB就隨之增大。n 電容上的電荷充到Q時(shí)作功之總和，或電容中的儲(chǔ)能等于下圖中的三角形面積n 電容C充電到VAB值所需的功以 勢能形式存儲(chǔ)在導(dǎo)體A和B之間。n 電容是一種集中的儲(chǔ)能元件。 CQCVVVCUQVVQW22ABBAABBA2121212121）（）（東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射

12、射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10簡單電容器結(jié)構(gòu) n 最簡單的電容器是兩片靠得很近的平行金屬板a和b組成n 在這樣的電容中，電力線分布是均勻的，極板間電場E處處相等，因此 bababaVVdEdlEEdldVVEba0SSeQAEdsEdsEab0ba00)(VdAVVdAAEQeeedAC0e根據(jù)高斯定理即定義電容東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10平板電容器的電容計(jì)算公式n真空中 C與極板面積A成正比，與距離d成反比 e0是其空中的介電常數(shù)，在SI國際單位制中有n

13、介質(zhì)中 er稱之為相對(duì)介電常數(shù)(relative dielectric constant) dAC0e122208.854 10e庫倫牛頓 米dAC0ree東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10理想電容器的基本行為理想電容器的基本行為 n 電容器中存儲(chǔ)的電荷量與電容上的電壓成正比。n 電容元件的電流i是與電容上的電壓的變化率成正比的。這個(gè)關(guān)系被人們看成是電容元件的I-V（“伏安”）特性。 abCvidtdtdvCiababCVQ 另外tiQtQiddd故也可以寫成東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集

14、 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容的伏庫特性和電容的伏庫特性和“伏安伏安”特性的關(guān)系特性的關(guān)系 n 若電容器電壓不變dvab/dt=0，則無電流流過電容器i=0。反映在“伏安”特性上是坐標(biāo)原點(diǎn)。反映在Q-V（伏庫）特性上卻是斜線上任意點(diǎn)。因此，I-V特性與Q-V特性不是一一對(duì)應(yīng)的。n I-V特性是Q-V特性的導(dǎo)數(shù)，Q-V特性是I-V特性的積分，這中間差一個(gè)積分常數(shù)。求導(dǎo)之后，積分常數(shù)被丟失了，所以，當(dāng)我們利用電容元件的“伏安”特性來分析電路特性時(shí)，千萬不能忘記還有一個(gè)積分常數(shù)，這個(gè)常數(shù)往往需要由初始條件來確定。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集

15、 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10已知電容中的電流求電容上的電壓已知電容中的電流求電容上的電壓 nt=-， vab=0 nt=0dttiCdtdv)(1abtdttiCdttiCtv00ab)(1)(1)(tdttiCKtv0ab)(1)(tdttiCvtv0abab)(1)0()(KdttiCKv00ab)(1)0(定積分東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器兩端的電壓不能突變電容器兩端的電壓不能突變 n 假設(shè)：t=0，表示還差一點(diǎn)才到t=0的時(shí)刻 t=0，表示t=0稍后一點(diǎn)時(shí)刻。n 對(duì)于任何

16、有限充放電電流i(t)，對(duì)任何實(shí)際信號(hào)來源來說，無論是從0到0，還是從0到0，它們的積分值肯定為0，這就意味著 電容器兩端的電壓不可能突變00ab00abab)(1)0()(1)0()0(dttiCvdttiCvv00abab)(1)0()0(dttiCvv 000abababvvv東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器有三大基本功能電容器有三大基本功能 a）存儲(chǔ)電荷 用于存儲(chǔ)電能或存儲(chǔ)信息。b）充放電過程 用來形成各種脈沖波形，提供延時(shí)和掃描。c）分離信號(hào) 利用電容的高頻特性、低頻特性、直流特性之間的區(qū)別，可以實(shí)

17、現(xiàn)各種信號(hào)的分離。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的用途與種類n 用途：=電源濾波、電機(jī)分相、照相機(jī)閃光燈儲(chǔ)能、備份電源=動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、寄存器、動(dòng)態(tài)電路、耦合電容、旁路電容=諧振電路，微分、積分電路=取樣保持電路，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)等等。n 種類：=根據(jù)其電容是否變化，分為固定電容器和可變電容器兩大類。=根據(jù)所用介質(zhì)不同分為空氣介質(zhì)電容、真空電容、云母電容、紙質(zhì)電容、金屬化紙介電容、絳綸薄膜電容、陶瓷電容、鋁電解電容、銀電解電容、金屬化滌綸薄膜電容以及電雙層電容等等。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光

18、電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10商用電容元件的五項(xiàng)指標(biāo)商用電容元件的五項(xiàng)指標(biāo) 1. 電容量（capacitance）與容差（tolerance）2. 工作電壓（operating voltage）與伏安容量（VA-capacity）3. 漏電（leakage）4. 高頻損耗（HF loss）5. 尺寸（size）東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容量電容量 n 按照SI國際單位制，電容的單位為法拉（F，F(xiàn)arad）。如果一庫侖的電荷充進(jìn)一個(gè)電容器，能夠建立1V的電壓，該電容器的電容量

19、就是1F。然而，必須注意，這個(gè)單位很大。原因是a）1F平行板電容器的體積非常巨大的。b）實(shí)用電容器一般不需要這么大。譬如，1mA 1kHz低頻信號(hào)對(duì)電容充電建立10V電壓，電容約為103103101107F數(shù)量級(jí)?？梢姡娙莸膯挝恍杩s小106倍才行。故令1F(微法)=106F(法拉)。這樣，上述例子中的電容器約為0.1F。n 若要處理的是10MHz信號(hào)，那么該電容器為1071031011011F的數(shù)量級(jí)。這說明需要另一種單位，再減小106倍。故令1pF(皮法)=1012F(法拉) 。這樣，那個(gè)電容器大約為10pF。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研

20、研 究究 所所2022/2/10商用電容器電容量的四個(gè)檔次和容差商用電容器電容量的四個(gè)檔次和容差 n 小電容：11000 pFn 中電容：1000pF1Fn 大電容：1100,000 Fn 特大電容：0.1 1000 F系列系列容差容差%容差根值容差根值插值系列插值系列E6 20%1.0， 1.5， 2.2， 3.3， 4.7， 6.8E12 10% 1.2， 1.8， 2.7， 3.9， 5.6， 8.2E245% 1.1，1.3，1.6，2.0，2.4，3.0，3.6，4.3，5.1，6.2，7.5，9.1610n1210n2410n另外，還有E96即1%系列和E192系列東東 南南 大大

21、 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的工作電壓電容器的工作電壓Vmaxn每個(gè)商用電容元件都標(biāo)出工作電壓。習(xí)慣上，人們往往稱它為耐壓。其實(shí)，這個(gè)電壓值并不是耐壓。即使超過工作電壓，電容器也未必會(huì)擊穿。一方面，它含有安全系數(shù)，在耐壓上有余量。另一方面，在小于規(guī)定的工作電壓下工作，該電容器將保證有規(guī)定的特性、質(zhì)量和壽命。n使用者應(yīng)該遵守元件的規(guī)范，不應(yīng)當(dāng)任意超定額使用。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的伏安容量（電容器的伏安容量（VA系數(shù)）系數(shù)） n

22、 電容器是一種儲(chǔ)能元件。它所存儲(chǔ)的能量為n 對(duì)于給定的工作電壓值和給定的電容量，一個(gè)電容器的最大可能值儲(chǔ)能為n 反映電容器儲(chǔ)能本領(lǐng)的物理量是每秒鐘能存儲(chǔ)多少能量，即n 它等于電容器的充電電流iC與電容上的電壓vC的乘積。n 定義一個(gè)電容器的伏安數(shù)n 它是最大可能充電電壓與電流的乘積。人們稱它為VA容量。在電路中，若充電電流與工作電壓的乘積超過額定的VA容量，電容器將發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電容器，或造成電容器擊穿。2C21CVW 2maxmax12WCVCCCCddddivtvCvtWmaxmaxIVVA 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所

23、2022/2/10電容器的漏電電容器的漏電n 電容器漏電（leakage）是一個(gè)普遍現(xiàn)象，幾乎所有的電容器都漏電。當(dāng)然，薄膜電容、空氣介質(zhì)電容和真空電容器漏電很小。但是，它也有表面漏電，特別是在潮濕空氣中尤為嚴(yán)重。通常，容量越大，漏電越嚴(yán)重。這是因?yàn)槿萘看蟮碾娙萜饔休^大的極板面積，較小的板間距離。這就意味著，它的絕緣介質(zhì)有較大的面積和較薄的厚度。所以，即使介質(zhì)有很大的電阻率，由于面積大，“長度”短，絕緣電阻會(huì)大大降低，造成電容器漏電。n 通常，電容器的漏電是用絕緣電阻和阻值來表達(dá)的。對(duì)于低壓電容器，可以用萬用表來測量漏電電阻。對(duì)于高電壓電容器，必須在相應(yīng)的高電壓下測量。注意，電解電容器的漏電電

24、阻是有極性的。正向極性的絕緣電阻大，反向極性測得的電阻小。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的介質(zhì)損耗電容器的介質(zhì)損耗n 理想電容器是純電抗（reactance）的，在充放電的過程中沒有功率損耗，然而，實(shí)際電容器總是伴有功率損耗。在交流場合，特別是高頻情況下，除了漏電引起功耗外，電容器介質(zhì)的內(nèi)部也有能量損失。很多實(shí)驗(yàn)證明，介質(zhì)損耗與介質(zhì)的極化過程中粘滯性(adhesiveness)有關(guān)。n 因?yàn)殡娙萜鹘^緣介質(zhì)內(nèi)部的分子在外電場的作用下發(fā)生了正負(fù)電荷的相對(duì)位移，進(jìn)入極化狀態(tài)。極化了的分子又產(chǎn)生了電場，疊加在外電場

25、上，削弱了總的電場強(qiáng)度。電位梯度（potential gradient）的降低，導(dǎo)致了電容器端電壓的降低，這就意味著，將允許有更多的電荷充進(jìn)電容器。所以，任何絕緣介質(zhì)嵌入平行板電容器，電容量就會(huì)增加，其增加的倍數(shù)等于 就是相對(duì)介電常數(shù)。01reee東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10實(shí)際電容器的等效電路實(shí)際電容器的等效電路 n 在交流場合，特別是高頻情況下，外電壓和外電場變化極其快速，但由于粘滯性的存在，電容充放電“拖泥帶水”，電壓與電流之間的相位關(guān)系就不是90。換言之，實(shí)際電容器不是純電抗，有損耗，尤其是介質(zhì)損耗（d

26、ielectric loss）。其等效電路如圖所示。n 圖中R代表漏電電阻，它不是頻率的函數(shù)。n R代表介質(zhì)損耗，是頻率的函數(shù)。 而且，頻率越高，介質(zhì)損耗越大， 相應(yīng)的串聯(lián)電阻R就越小， 這條分支的電流就越大。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的損耗角 n 電容C支路中的電流也是頻率越高，容抗越小，容性電流越大。因此，這兩條支路中的電流的比值，當(dāng)頻率升高時(shí)，幾乎不變。這就意味著可以用一種新的概念來描述介質(zhì)損耗。n 假定，a，b兩端電壓的有效值為vab,電容支路電流的有效值為IC=vab介質(zhì)損耗R之路電流的有效

27、值為 IR=vab/R, 則這兩個(gè)電流的比值，正好是損耗角的正切。如圖所示。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器的損耗角與品質(zhì)因數(shù)Qdn 電容器的損耗角 的定義n 上式指出，當(dāng)頻率增加時(shí)，因R減小，tan 不變，幾乎是一個(gè)常數(shù)。由此可見，用tan 來描述電容器的介質(zhì)損耗比用R來描述介質(zhì)損耗，更科學(xué)，更合理。n 人們常把稱為損耗角（loss angle），稱tan 為介質(zhì)損耗（dielectric loss）。n 電容的損耗應(yīng)該是越小越好，我們可以用品質(zhì)因數(shù)Q來反映電容的損耗特性。介質(zhì)損耗相關(guān)的品質(zhì)因數(shù)Qd定義為t

28、an1ababCCvRvIRIGCQ)tan(1d東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電容器五項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系電容器五項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系 n 電容器尺寸自然是越小越好，即追求小型化。 n 電容器的容量、工作電壓與伏安容量、漏電、高頻損耗和尺寸這五項(xiàng)指標(biāo)彼此矛盾。n 譬如：要電容量大，只有三個(gè)方法：增大電極板面積、減小電極間距即選用更薄的絕緣介質(zhì)和選用介電常數(shù)較大的材料做絕緣層。可是，這三種辦法都不甚理想。加大電極板面積勢必增大電容器體積，違背小型化原則。采用更薄的介質(zhì)。必然降低絕緣電阻，增大漏電，且由于降低了抗電強(qiáng)度，降低了耐壓

29、和伏安容量。較大的絕緣介質(zhì)，一般漏電較大，且介質(zhì)損耗嚴(yán)重，不宜于高頻使用。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10大電容的制作方法大電容的制作方法 工業(yè)界終于想出一種較好辦法，把電極板做的更薄些，體積肯定可以縮小，或者可以增大電容量。但太薄了，難以加工制造。因而，人們采用了金屬化的加工方法。利用高頻加熱或化學(xué)沉淀的辦法，把金屬原子蒸發(fā)或沉淀在電容器的介質(zhì)上，作為電容器的電極板。這樣的電極板非常薄，而且物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，做成的電容器質(zhì)量較高。于是，金屬膜紙介電容、金屬膜絳綸電容和金屬膜云母電容不斷地開發(fā)出來。大部分陶瓷電

30、容，也采用金屬膜電極板。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/106.2.3 高頻低介質(zhì)損耗電容高頻低介質(zhì)損耗電容 n 通常選用介電常數(shù)較小的陶瓷做介質(zhì)（r10)。當(dāng)然，只能做容量較小的電容。n 陶瓷電容性質(zhì)非常穩(wěn)定、高頻性能很好、無極性、耐壓、耐熱、低阻抗、體積小，綜合性能好因此使用非常廣泛，它可以應(yīng)用在GHz級(jí)別的超高頻器件上，比如軍用雷達(dá)、電磁干擾發(fā)射器等精密儀器，當(dāng)然CPU和其它芯片組所在表面也只能使用陶瓷電容。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2

31、/10鐵電電容鐵電電容n 陶瓷介質(zhì)的er ，可以在一個(gè)相對(duì)大的范圍內(nèi)變動(dòng)，其值取決于陶瓷的配方。一些含有二氧化鈦(TiO2）或鈦酸鋇（BaTiO3）和鈦酸鍶（SrTiO3）一類材料的陶瓷，有很大的介電常數(shù)，er甚至可以達(dá)到1,00010,000。顯然，利用這類陶瓷做介質(zhì)，電器的電容量就可以大大增加，電容器的體積將大大減少。n 這類陶瓷電容器高頻損耗大，僅適用于低頻電路。人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于這類er特別大的陶瓷電容，由于極化的粘滯性嚴(yán)重，它的行為（D-F特性）頗像鐵磁材料的行為（B-H特性），存在著遲滯回線(hysteresis loop)。所以，人們把這類陶瓷材料稱為鐵電(ferroelectric)

32、材料，由它做成的電容器，稱為鐵電電容。這類電容器的電容量可以做0.1uF左右，常用作旁路(bypass)電容。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10估計(jì)完成濾波功能需電容量的電路估計(jì)完成濾波功能需電容量的電路 在電子管設(shè)備中往往需要提供250V，300mA的直流電源。為了濾掉整流后殘留的電源紋波，因滿足則n 在晶體管設(shè)備中，往往需要提供12V，300mA直流電源。則等效負(fù)載n 在數(shù)字集成電路設(shè)備中，需要提供5V，10A直流電源。其等效負(fù)載RL=5V/10A。則濾波電容必須有L1RC833mA300V250LRF82. 3

33、83350211LRC40mA300V12LRF6 .794050211LRCF63665 . 050211LRC而則東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電源濾波用大容量電容電源濾波用大容量電容n 可見，電源濾波電容必須是F級(jí)的，而且隨著半導(dǎo)體和集成電路的發(fā)展。電容量要求越來越大。從1F到100,000F。n 為了做出F級(jí)電容，人們想盡了各種辦法。終于發(fā)現(xiàn)了在電解液（electrolyte）中生成的氧化鋁薄膜（Al2O3）非常薄，且絕緣性能很高，可以用作電容器的介質(zhì)。若將表面有氧化鋁薄膜的鋁箔浸泡在電解液中，這樣，在鋁

34、箔與電解液之間可以形成一個(gè)電容量很大的電容。用這個(gè)原理所做的電容器。稱為電解電容器，其容量可以達(dá)到F。幾百、幾千甚至幾萬F。廣泛用于電源濾波。n 這種電容器也有一個(gè)缺點(diǎn)，它是有極性的。如果電壓極性搞反了，電化作用將破壞氧化鋁薄膜，電容器就失效了。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10電雙層電容器電雙層電容器n 必須指出，電解電容器的體積還是比較大的，特別是要幾千、幾萬F，體積不可能很小。因此，人們有一種看法，法拉級(jí)電容是不可能實(shí)現(xiàn)的。n 但最近，人們發(fā)現(xiàn)了電雙層電容器(electric double-layer cap

35、acitor)，電容量可以做到幾百法拉。它是利用活性炭顆粒在稀硫酸中極化形成的電雙層效應(yīng)。由于正負(fù)電荷的間距很小，面積很大，因?yàn)?克質(zhì)量的活性炭，有幾百萬個(gè)顆粒。允許充進(jìn)大量電荷，所以電容量大得驚人。n 目前，這類電雙層電容器廣泛用于機(jī)器人，各種移動(dòng)電器以及備份電源，可以當(dāng)儲(chǔ)電池來使用。當(dāng)然，這種電容也是有極性的。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/106.2.5 貼片電容貼片電容n 同樣為了減小PCB的尺寸和實(shí)現(xiàn)安裝自動(dòng)化，目前在電子系統(tǒng)中大規(guī)模采用了貼片電容。貼片電容主要在AC耦合、去耦、濾波、諧振回路或RF接地等方面

36、起重要的作用。n 貼片電容外型和尺寸規(guī)格與貼片電阻相同，尺寸規(guī)格包括0402、0603、0805、1206、1210、1808、1812、1825等。 n 貼片電容可以是陶瓷電容、鋁電解電容和鉭電解電容等。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10商用電容元件主要特征商用電容元件主要特征 云母電容電容量小，耐壓50V1kV，也有1kV以上箱式電容，漏電小，VA容量大，容差小，精度高，可用于超高頻電路。紙介電容電容量中等，耐壓50V1kV，漏電中等，VA容量小，容差中等，精度中等，可用于高頻。薄膜電容電容量中等，耐壓50V1k

37、V，漏電小，VA容量小，容差中等，精度中等，可用于高頻。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10商用電容元件主要特征商用電容元件主要特征 (續(xù))陶瓷電容電容量小，（用于溫度補(bǔ)償），電容量中等，（鐵電式），耐壓550V1kV，1kV以上都有，VA容量大，容差大，可用于高頻和超高頻。電介電容電容量大，耐壓50V，50V1kV，漏電大，容差大，用于低頻和直流電路。電雙層電容 電容量特大，耐壓大，50V，漏電特大，容差大，用于直流場合。貼片電容電容量小，體積小，適合于高頻應(yīng)用和自動(dòng)化安裝。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/2/10集成電路電容集成電路電容n 在集成電路中，電容是也最常用的元件之一。集成電路電容是由設(shè)計(jì)者自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。n 集成電路電容由多種實(shí)現(xiàn)方法：1）利用二極管和三極管的結(jié)電容；2）利用左下圖所示的叉指