射频 - 组件与系统 - 电容

射频 - 组件与系统 - 电容 电容也广泛用于射频，如旁路、级间耦合、谐振电路、滤波器。 平行板电容 电容器是由绝缘材料或电介质隔开的两个导电表面组成的任何设备。电介质通常是陶瓷、空气、纸、云母、塑料、薄膜、玻璃或油。电容器的电容是当导体之间存在电位差时允许存储电荷的特性。电容以法拉为单位测量。 电容是由绝缘材料或电介质隔开的两个导电表面组成的。电介质通常是陶瓷、空气、纸、云母、塑料、薄膜、玻璃或油。电容值是表示两导体存在电位差时，允许储存电荷的特性： $$ C=\frac{Q}{V} $$ 其中，电容值 $C$ 的单位是 $F$（法），电荷值 $Q$ 的单位是 $C$（库伦）。因为 $F$ 的单位太大，所以有 $1uF=10^{-6}F$，$1pF=10^{-12}F$ 如果我们知道平行板面积 $A$，平行板间距离 $A$（单位是英寸），电介质材料的介电常数 $\varepsilon$（单位是 $f/m$），那么平行板电容器的计算公式可表示为： $$ C=\frac{0.2249\varepsilon A}{d\varepsilon_0} pF $$ 其中，$\varepsilon_0$ 是自由空间中的介电常数（$\varepsilon_0=8.854*10^{-12}f/m$）。 电容等效电路 平行板电容器只是一种理想的电容器，现实世界中，电容器的等效电路如图所示： 其中，$C$ 为我们通常所指的电容，$L$ 为管脚电感，$R_s$ 是以功率因数（PF）或耗散因数（DF）表示的散热损耗，$R_p$ 表示绝缘电阻。更详细的定义如下： 功率因数（Power Factor, PF）： 理想电容器中，交流电流将超前施加的电压 90°。因等效电路中总串联电阻（$Rs + Rp$），此相位角 $φ$ 在实际电容器中会更小。功率因数是关于温度、频率和电介质材料的函数，由以下公式定义： $$ PF=\cos \phi $$ 绝缘电阻（Insulation Resistance）： 表示在施加电压的情况下流过电容器电介质的直流电流量。没有材料是完全绝缘的，所以会有漏电流。在等效电路中，这条漏电流的路径用 $R_p$ 表示，其值通常高于 100000 兆欧。 有效串联电阻（Effective Series Resistance, ESR）： 此电阻值是 $Rs + Rp$ 的组合等效值，是电容器的交流电阻。由以下公式定义： $$ ESR=\frac{PF}{\omega C}(10^6) $$ 其中，$\omega=2 \pi f$。 耗散因数（Dissipation Factor, DF）： 耗散因数是交流电阻与电容器电抗之比，由以下公式定义： $$ DF=\frac{ESR}{X_c}*100\% $$ 衍生出来的品质因数 Q，是耗散因数的倒数，品质因数越大，电容的性能越好。 电容器中这些缺陷的影响可以在图 1-9 中看到。在这里，理想电容器的阻抗特性与实际电容器的阻抗特性相对应。如图所示，随着工作频率的增加，引线电感变得很重要。最后，在 Fr 处，电感与电容器串联谐振。然后，在 Fr 之上，电容器就像一个电感器。通常，较大值的电容器往往比较小值的电容器具有更多的内部电感 在实际电容器中，受这些因素的影响，频率与阻抗的变化曲线如图： 可以看到，随着频率的升高，管脚电感的影响变大，最终在 $F_r$ 处，电感与电容产生串联谐振。频率再往上，电容表现为感性。一般来说，大电容往往比小电容有更大的电感。因此举个例子，在 250MHz 频率下，100nF 的电容比 300pF 的旁路效果差，因为根据电抗的公式 $X_e=\frac{1}{\omega C}$，在特定频率下，大电容比小电容有更小的的电抗。 但是，在射频频率上，情况可能正好相反。在某些较高频率下，一个 100nF 的电容可能会比一个 330pF 的对信号产生更高的阻抗。这是在设计频率高于 100 MHz 的电路时必须考虑的问题。使用网分仪可以看出在特定频率下电容的阻抗。 电容的种类 电容可以由各种介电材质制造而成。常用的有以下类别： （未完待续） 参考与致谢 《RF-Circuit-Design(second-edition)_Chris-Bowick》 原文地址：https://wiki-power.com/ 本篇文章受 CC BY-NC-SA 4.0 协议保护，转载请注明出处。