电阻电容的作用（电容知识合集）

内转载自加油射频工程师

世界上第一个电容器，在莱顿城发明，所以称之为莱顿瓶。

莱顿瓶就是一个玻璃瓶，玻璃瓶的外侧和内侧都有锡箔，内部锡箔通过金属链连接到瓶口。锡箔就相当于两个平板，通过玻璃瓶隔开。

刚开始，科学家们以为是封闭的瓶子存储了电荷，后来发现，就算只有两块平板，只要让他们不接触，就能储存电荷。

(1)电容的定义

其中，E是指两平板间的电场，d是指两平板间的距离，A是平板的面积，σ是指平板上单位面积上的电荷。

电容定义为有限电势差下所能容纳的电荷量。

所以，我们可以了解到：

• 平板的面积越大，电容也越大。这符合我们的直观理解，平板面积越大，能储存的电荷就越多。
• d越小，电容越大。这可以这样理解，两板上正负电荷之间的吸引力越大，就能容纳更多的电荷。库仑定律告诉我们，两个电荷之间的作用力与两者之间距离的平方成反比，所以d越小，吸引力越大。
• 两板之间填充介质材料，可以增加电容量。两板上的正负电荷会在两板间产生电场，如果两板间有介质材料，则介质材料就会被电极化。介质中产生与原来电场方向相反的场，电容中间的总场变小，两板间的电势差变小，电容变大。

(2)电容的工作原理

在电容的两端，加上一个电池。因为电子总是流向高电势，所以当电池连通时，电势低的导电平板上的电子就会被吸引走，而另一平板上则会吸引电子。因此，平板中一端开始带正电荷，另一端开始带负电荷。

当电容两端的电势分别和电池两端的相等时，电子的运动停止，此时电容的两端平板分别带有同等容量的正电荷和负电荷。

为什么是同等容量呢？是因为电荷守恒定律，就是说，电荷总量永远保持不变，一个物体产生负电荷，同时，肯定在其他地方有同等量的正电荷产生。

再从宏观上来看一下这个过程：

• 在往电容两端施加直流电源的瞬间，会有电流通过；而当电容两端的电势差等于直流电压时，电流为0，此时电容充电完成。
• 电容充电完成后，拿走电源。由于正负电荷之间的电场力的作用，加上两板之间的介质材料，电子无路可去，正负电荷依然待在平板上，这个现象，即为储能。
• l电容的两端加一个负载，此时，电子会沿着这条新路径，流经负载，去正电荷那。等到同等容量的正负电荷中和为中性粒子时，电容两端的电势差变为0，电容放电完成。

当给电容两端加一交流电源时，电子则不断地重复这样一个步骤：

从平板1流向电源，从电源流向平板2；从平板2流向电源，从电源流向平板1，电路中会产生交流电流。电子没有通过平板间的介质内部，而是在外部电路上运动，产生交流电流，这个现象，即为电容能通交流。

电子的运动，导致平板中的电荷发生变化，Q=CV=CEd，导致平板间的场发生变化，即表征为位移电流。

(3)电容的Q值

电容的Q值公式如下图所示：

Q值一般是指电路中存储的能量与消耗的能量的比值。所以就很容易理解上述的公式。一般电抗储存能量，电阻消耗能量。

从上面的公式中，可以得到以下几点结论：

• ESR为0时，Q值为无穷大，而理想电容没有ESR，所以其Q值无限大
• Q值与频率和容值均相关，比较两种电容Q值时，需频率和容值均一致，才有可比意义
• 固定容值的电容，其Q值随频率升高而降低

(4)电容的DC偏置特性和温度特性

电容的DC偏置特性，是指在电容上施加直流电压时，电容的容量会减小。

电容的温度特性，是值温度变化时，电容的容量也会发生变化。

在LDO的手册上，会对其的输出电容的容值有规定，以避免振荡。

所以，在选择电容时，要考虑其温度和DC-bias曲线。

比如说村田的GRM21BR61D106KE15，发现其容值在有直流电压的情况下，几乎是成线性下降，10uF的电容，在DC bias为12V的时候，降到2uF。

以上两种特性，比较严重的，一般是使用高介电常数钛酸钡(BaTiO3)的陶瓷电容器；而使用低介电常数的二氧化钛(TiO2)的陶瓷电容器，则容值受温度和直流电压影响都比较小。

要知道所选型电容的这两种特性，可以去厂家的官网上去查看。一般手册上也会有相应的曲线。

村田的选型工具上，也都有这些曲线。

(5)电容值的频率特性

在村田的选型工具中，会发现电容的值，随着频率的升高而增大。发生这个现象的原因，主要是电容的寄生效应，上图中的电容值，是指器等效电容值。

所以，由于寄生电感的存在，随着频率的升高，C会逐渐变大。

(6)陶瓷电容的实际制作

由电容的定义可知，要获得大的电容值，就需要在3个方面下功夫，分别为平板面积A，平板间的距离d，填充介质的介电常数ε。

而陶瓷电容则是在这三个方面下足了功夫：

• 其内电极两两交叉，显著增加了接触面积A
• 内电极之间的距离很小，降低了d
• 填充高介电常数的介质，增加了ε

比如说，村田使用的介电材料钛酸钡(BaTiO3)，其相对介电常数提高到了3000左右，而介质厚度已经达到了0.5um。虽然这种材料温度特性和DC-bias特性稍差，但是其容值可以做的很高，因为3000的介电常数在那。

为了制作出一个陶瓷电容，一般需要以下几个步骤：

• 对卷状介电体板涂金属焊料，以作为内部电极。不同层的内部电极，需要错位，要不然加上外电极后，会短路。这边的金属焊料就相当于PCB板的铜皮，介电体板相当于中间介质
• 将涂完内部电极的介电体板重叠在一起
• 把层叠板压合在一起
• 把压合完的层叠板按封装要求切割成相应尺寸
• 用高温(1000~1300度)对切割完的料块进行焙烧，使陶瓷和内部电极成为一体
• 料块两端涂金属焊料，作为外部电极，并用高温(800度)烧结
• 外部电极表面电镀镍和锡
• 测量电容的电气特性，包装

(7)电容的焊接问题

电容尺寸开始越来越小型化，现在最小的已是01005,尺寸只有0.4mm×0.2mm，比芯片管脚还要小。

在电容贴装的时候，经常会发生偏移，翘立或者竖立的现象。这些现象，通常是由于作用于左右两边电极的张力不平衡。

左右焊盘的尺寸不一致，或者左右焊盘上的锡量不相同，或者贴装机贴装的元器件位置偏移严重，或者回流焊时左右两极的温差不一致，这些都会造成左右两边电极的张力不平衡。

所以，我们在使用电容时，需要做到：

• PCB设计时，按照推荐的电容封装尺寸进行设计，并保证两边的焊盘对称；
• 焊锡越厚，对电极的张力越大；所以在保证可靠性的前提下，尽量减少焊锡用量，并保证左右焊盘上的锡量一致；
• 尽量保证贴片精度；
• 按照推荐的回流温度曲线，合理设置预热段，减小炉内的温差；

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