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电容特性,如何选择高频滤波电容
发布日期:2024-09-18 07:43     点击次数:88
电阻电容电感这些都是最最基础的电子元器件,也是因为这些器件,才有了我们大家所从事的各种无聊的工作。这个无聊包括但不限于硬件或是LAYOUT或是SI。

虽然同为无聊,不过电容可比电阻或是电感有趣多了。毕竟电解电容可以放烟花,钽电容可以爆炸,陶瓷电容可以立碑。不像电感只有无能啸叫。

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常用的电容可以分为电解电容、钽电容、陶瓷电容等。前两者常用于低频滤波。对于高频滤波通常采用陶瓷电容。

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随便找个PCB板,翻到BGA器件背面,几乎都能见到密密麻麻的电容,可能是01005,也可能0201或是0402,这些电容很大程度上会影响整个电源网络的性能。那么这个电容应该如何选择呢?在选择合适的电容之前,我们先看看电容的特性。关于电容最先想到的就是电容的容值,比如10nf或是100nf之类的。看起来很简单,但遇到高频这个小妖精后,电容也就没有这么单纯了,这时我们还需要考虑选一个电容就额外赠送的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。换句话说,虽然只是一个电容,但是还需要考虑其电阻和电感带来的影响。组合起来就是下面这张图:

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将电容等效为RLC电路后会在某个频率处谐振,这个频率被称为自谐振频率。比如下面这张图就是某个10nf电容的阻抗特性曲线,从中可以看到其谐振点在70MHZ。

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有了这张图,我们就可以知道这个电容的有效滤波范围。通常在谐振点2到3倍范围频率内电容都是能发挥功能做好本职工作的。直白一点,如果我们求解出来电容的谐振点是70MHZ。保守计算, 亿配芯城 那么有效的滤波范围大概就是140MHZ以内。如果谐振点是50MHZ,那么有效范围大概就是100MHZ以内。除了关注这个谐振点的频率,我们还需要关注对应的阻抗频率曲线,这个值越低滤波效果也就越好。而影响谐振频率与阻抗曲线的因素,就是我们一开始说到的ESL和ESR。ESL影响的是电容的谐振点频率,ESL越大,谐振点频率越低。

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高频滤波中小封装的电容滤波效果往往好于同等容值大封装的电容(比如0201好于0402),原因就在于小封装电容ESL更低,更能覆盖高频段。再看ESR,理想电容的ESR为0 ,但是理想嘛,都是不存在的。实际电容都会有ESR的存在,因此会在电容两端形成压降,降低滤波效果。在前面关于滤波范围的结论中,我们希望电容的阻抗曲线尽可能的低,这就需要我们选择ESR更低的电容。或者通过并联电容的方式降低ESR。

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根据ESL和ESR就可以求出这个电容的阻抗频率曲线,并以此来评估这个电容对某个频段的滤波效果。实际中,我们求解出来的这个谐振点往往并不是电容真实的谐振点,这是因为在焊接的时候还会引入额外的寄生参数,造成谐振点的偏移。针对这个情况可以在电容安装后实测其真实谐振点。在设计中我们通常还会用各种容值不同的电容搭配起来混合使用,搭配的原则我们将在下一期关于目标阻抗的内容中给大家介绍。