電容器阻抗/ESR頻率特性是指什么？
本專欄為解說(shuō)電容器基礎(chǔ)的技術(shù)專欄。
現(xiàn)就電容器的阻抗大小|Z|和等價(jià)串聯(lián)電阻(ESR)的頻率特性進(jìn)行闡述。
通過(guò)了解電容器的頻率特性，可對(duì)諸如電源線消除噪音能力和抑制電壓波動(dòng)能力進(jìn)行判斷，可以說(shuō)是設(shè)計(jì)回路時(shí)不可或缺的重要參數(shù)。此處對(duì)頻率特性中的阻抗大小|Z|和ESR進(jìn)行說(shuō)明。
1.電容器的頻率特性
如假設(shè)角頻率為ω，電容器的靜電容量為C，則理想狀態(tài)下電容器(圖1)的阻抗Z可用公式
(1)表示。
圖1.理想電容器
由公式(1)可看出，阻抗大小|Z|如圖2所示，與頻率呈反比趨勢(shì)減少。由于理想電容器中無(wú)損耗，故等價(jià)串聯(lián)電阻(ESR)為零。
圖2.理想電容器的頻率特性
但實(shí)際電容器(圖3)中除有容量成分Ｃ外，還有因電介質(zhì)或電極損耗產(chǎn)生的電阻（ESR）及電極或?qū)Ь�產(chǎn)生的寄生電感(ESL)。因此，|Z|的頻率特性如圖4所示呈V字型（部分電容器可能會(huì)變?yōu)閁字型）曲線，ESR也顯示出與損耗值相應(yīng)的頻率特性。
圖3.實(shí)際電容器
圖4.實(shí)際電容器的|Z|/ESR頻率特性(例)
|Z|和ESR變?yōu)閳D4曲線的原因如下。
低頻率范圍：低頻率范圍的|Z|與理想電容器相同，都與頻率呈反比趨勢(shì)減少。ESR值也顯示出與電介質(zhì)分極延遲產(chǎn)生的介質(zhì)損耗相應(yīng)的特性。
共振點(diǎn)附近：頻率升高，則|Z|將受寄生電感或電極的比電阻等產(chǎn)生的ESR影響，偏離理想電容器（紅色虛線），顯示最小值。|Z|為最小值時(shí)的頻率稱為自振頻率，此時(shí)|Z|=ESR。若大于自振頻率，則元件特性由電容器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼�，|Z|轉(zhuǎn)而增加。低于自振頻率的范圍稱作容性領(lǐng)域，反之則稱作感性領(lǐng)域。
ESR除了受介電損耗的影響，還受電極自身抵抗行程的損耗影響。
高頻范圍：共振點(diǎn)以上的高頻率范圍中的|Z|的特性由寄生電感(L)決定。高頻范圍的|Z|可由公式(2)近似得出，與頻率成正比趨勢(shì)增加。
ESR逐漸表現(xiàn)出電極趨膚效應(yīng)及接近效應(yīng)的影響。
以上為實(shí)際電容器的頻率特性。重要的是，頻率越高，就越不能忽視寄生成分ESR或ESL的影響。隨著電容器在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，ESR和ESL與靜電容量值一樣，成為表示電容器性能的重要參數(shù)。
2.各種電容器的頻率特性
以上就電容器寄生成分ESR、ESL對(duì)頻率特性的巨大影響進(jìn)行了說(shuō)明。電容器種類不同，則寄生成分也會(huì)有所不同。接下來(lái)對(duì)不同種類電容器頻率特性的區(qū)別進(jìn)行說(shuō)明。
圖5表示靜電容量10uF各種電容器的|Z|及ESR的頻率特性。除薄膜電容器以外，全是SMD型電容器。
圖5.各種電容器的|Z|/ESR頻率特性
圖5所示電容器的靜電容量值均為10uF，因此頻率不足1kHz的容量范圍|Z|均為同等值。但1kHz以上時(shí)，鋁電解電容器或鉭電解電容器的|Z|比多層陶瓷電容器或薄膜電容器大，這是因?yàn)殇X電解電容器或鉭電解電容器的電解質(zhì)材料的比電阻升高，導(dǎo)致ESR增大。薄膜電容器或多層陶瓷電容器的電極中使用了金屬材料，因此ESR很低。
多層陶瓷電容器和引腳型薄膜電容器在共振點(diǎn)附近的特性基本相同，但多層陶瓷電容器的自振頻率高，感應(yīng)范圍的|Z|則較低。這是由于引腳型薄膜電容器中只有引腳線部分的電感增大了。
由以上結(jié)果可以得出，SMD型的多層陶瓷電容器在較寬的頻率范圍內(nèi)阻抗都很低，也最適于高頻用途。
3.多層陶瓷電容器的頻率特性
多層陶瓷電容器可按原材料及形狀分為很多種類。下面就這些因素對(duì)頻率特性的影響進(jìn)行說(shuō)明。
(1)關(guān)于ESR
處于容性領(lǐng)域的ESR由電介質(zhì)材料產(chǎn)生的介質(zhì)損耗決定。Class2(種類2)中的高介質(zhì)率材料因使用強(qiáng)電介質(zhì)，故有ESR增大的傾向。Class１(種類1)的溫度補(bǔ)償材料因使用一般電介質(zhì)，因此介質(zhì)損耗非常小，ESR數(shù)值也很小。
共振點(diǎn)附近到感性領(lǐng)域的高頻領(lǐng)域中的ESR除受電極材料的比電阻率、電極形狀（厚度、長(zhǎng)度、寬度）、疊層數(shù)影響外，還受趨膚效應(yīng)或接近效應(yīng)的影響。電極材料多使用Ni，但低損耗型電容器中，有時(shí)也會(huì)選用比電阻率低的Cu作為電極材料。
(2)關(guān)于ESL
多層陶瓷電容器的ESL極易受內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)影響。設(shè)內(nèi)部電極大小的長(zhǎng)度為l、寬度為w、厚為d時(shí)，根據(jù)F.W.Grover，電極電感ESL可用公式(3)表示。
由此公式可得知，電容器的電極越短，越寬，越厚，則ESL越小。
圖6表示各尺寸多層陶瓷電容器的額定容量與自振頻率的關(guān)系。相同容量，尺寸越小，自振頻率越高，則ESL越小。由此，可以說(shuō)長(zhǎng)度l較短的小型電容器適用于高頻領(lǐng)域。
圖6.各尺寸額定容量值與自振頻率的關(guān)系
圖7為長(zhǎng)度l縮短，寬度w增大的LW逆轉(zhuǎn)型電容器。由圖8的頻率特性可知，即使容量相同，LW逆轉(zhuǎn)型電容器的阻抗低于一般電容器，特性優(yōu)良。使用LW逆轉(zhuǎn)型電容器，即使數(shù)量少于一般電容器，也可獲得同等性能，通過(guò)減少元件數(shù)量可以降低成本，縮減實(shí)裝面積。
圖7.LW逆轉(zhuǎn)型電容器的外觀
圖8.LW逆轉(zhuǎn)型電容器與通用品的|Z|/ESR
4.獲得頻率特性數(shù)據(jù)的方法
頻率特性數(shù)據(jù)可通過(guò)阻抗分析儀或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取。最近，也可在各元器件廠商的Web網(wǎng)站中確認(rèn)。
圖9為本公司提供的設(shè)計(jì)輔助工具"SimSurfing"的圖像�？赏ㄟ^(guò)選取型號(hào)和希望確認(rèn)的項(xiàng)目，顯示特性。還可下載SPICE網(wǎng)絡(luò)清單或S2P數(shù)據(jù)作為模擬用數(shù)據(jù)。方便大家靈活運(yùn)用到各種電子回路設(shè)計(jì)中去。
圖9.設(shè)計(jì)輔助工具"SimSurfing"圖例
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