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合理选择电容器来实现高性能的EMI滤波
本文将重点讨论多层陶瓷电容器，包括表面贴装和引脚两种类型。讨论如何计算这些简单器件的阻抗和插入损耗之间的相互关系。文中还介绍了一些改进型规格的测试，如引线电感和低频电感，另外，还给出了等效电路模型。这些模型都是根据测得的数据导出的，还介绍了相关的测试技术。针对不同的制造工艺，测试了这些寄生参数，并绘制出了相应的阻抗曲线。
长期以来，一直使用旁路和去耦电容来减小PCB上产生的各种噪声，也。由于成本相对较低，使用容易，还有一系列的量值可选用，电容器常常是电路板上用来减小电磁干扰(EMI)的主要器件。由于寄生参数具有重要的影响，故电容器的选择要比其容量的选择更为重要。制造电容器的方法很多，制造工艺决定了寄生参数的大小。
电气器噪声可以以许多不同的方式引起。在数字电路中，这些噪声主要由开关式集成电路，电源和调整器所产生，而在射频电路中则主要由振荡器以及放大电路产生。无论是电源和地平面上，还是信号线自身上的这些干扰都将会对系统的工作形成影响，另外还会产生辐射。
本文将重点讨论多层陶瓷电容器，包括表面贴装和引脚两种类型。讨论如何计算这些简单器件的阻抗和插入损耗之间的相互关系。文中还介绍了一些改进型规格的测试，如引线电感和低频电感，另外，还给出了等效电路模型。这些模型都是根据测得的数据导出的，还介绍了相关的测试技术。针对不同的制造工艺，测试了这些寄生参数，并绘制出了相应的阻抗曲线。
阻抗和插入损耗
所幸的是，电容器还算简单的器件。由于电容器是一个双端口器件，故仅有一种方法与传输线并接。不要将该器件看作一只电容器，更容易的方法是将其看作为一个阻抗模块。当其与传输线并联时，甚至可以将其视作为一个导纳模块(见图1)。
图1：将电容器视作为阻抗模块。
这种连接方式的ABCD参数可以表示为：
然后，利用ABCD参数和散射(S)参数之间的关系，可以得到插入损耗S21的幅度为：
式中，Z??=阻抗幅度
Z0=传输线阻抗
??=阻抗模块的相角
有一些插入点可以来观察方程2。首先，对于一个高性能的陶瓷电容器来说，其相角在整个频段中都非常接近&90&，只有谐振点附近除外(见图2)。
图2：1000-pF陶瓷电容器的典型阻抗幅相特性。
已知&90&的余弦接近0，故方程2可以被简化为：
故该相角可以被忽略，并且在绝大多数的频谱上都能给出较好的结果。另一个很好的近似是当Z0&&?Z??时，方程3可以被进一步简化为：
作为一个例子，表1中给出了对一只1000-pF的旁路电容器测出的阻抗及由此计算出来的插入损耗。所有的插入损耗数据都基于50欧阻抗。如表中所给出，一旦电容器的阻抗开始增加到50欧，方程3将快速发生突变。
表1：1000-pF旁路电容器的阻抗和求得的插入损耗。
这些方程中的唯一问题就是需要知道一系列不同电容值的阻抗。
多层陶瓷电容器(MLCC)串联模型
对于MLCC电容器来说，最简单的(当然也是最有效的)模型是串联模型(见图3)。
图3：陶瓷电容器的等效串联模型。
该模型给出了适用于绝大多数表面贴装MLCC的正确阻抗曲线。记住电容值将随温度和直流偏置而变化。等效串联电阻(ESR)随温度、直流偏置和频率变化，而等效串联电感(ESL)却基本保持不变。对阻抗来说，也许最重要的部分是谐振点，因为这是衰减最大的频率。众所周知，计算谐振频率的公式是：
对于各类表面贴装的不同封装的电感值，可以利用方程2中所描述的测量技术来计算。例如，如果系统中产生了800MHz的噪声，随后可以在PCB上将其定位到一个确定的区域。选择一个标称容量为39pF的电容，并将其安装到尽可能靠近产生噪声的地方，这对于减小EMI来说，将是最好的选择。减小矩形芯片电感的一个有效方式就是改进芯片纵长方向端头的设计。所选电容器的阻抗曲线如图4所示。注意通过改变纵横比，寄生电感减小了大约50%，即从1200pH减小到600pH。这有效地偏移开了最大衰减点，故在利用这些器件来进行EMI滤波时只需牢记这一点。
图4：两只0.1 &F电容器的阻抗曲线比较。
低电感电容的最大优点体现在数字电路退耦中。利用如下简单的电感方程：
利用低电感芯片来降低电感，可以减小集成电路中开关时所产生的总电压噪声。
引脚电容器
引脚电容相对于表面贴装电容器，除了增加了引脚之外，其他并没有什么不同。其等效模型与MLCC模型一样，除了增加了引脚所产生的电感之外，见图5。
图5：引脚电容器的等效模型。
引脚所产生的电感对阻抗的影响如图6所示。一个很好的经验算法是，电路板上每0.10&的引脚长度将产生2.5nH的电感。就像低电感电容器将频率向高处偏移一样，引脚器件将频率往低端偏移。要实现最佳的EMI滤波，必须牢记这一点。
图6:引脚长度对0.1 &F电容器的影响。
穿心电容器
更好的EMI防护器件是穿心电容器芯片。这是一个三端口表面贴装器件。图7所示的是穿心电容器的等效电路。该结构在允许信号穿越器件的同时，利用电容将EMI噪声滤波到地。
图7：穿心电容器的等效电路。
对于寄生参数来说，这种几何结构具有几个有趣的问题。首先，电容器的寄生电感要比具有等效电容的相当尺寸的片式电容器要小得多。可以测量穿心电容的寄生电感，大约为250pH。该相同的现象是在降低了电感的同时也降低了ESR(通道长度，通道长度，通道长度!)最后，穿通部分中电感的引入将增加衰减带宽。图8给出了一只100pF的穿心电容和一个等效的标准片式电容之间的插入损耗比较。
图8：100-pF穿心电容和100-pF串联模型双端口 MLCC之间的比较。
这里所讨论的表面贴装器件与传统的穿墙安装的、采用圆盘式电容的穿心滤波器有直接关系。
该滤波器的等效电路与穿心片式电容相似，不过圆盘式的形状具有更低的寄生电感。信号通道或穿越机箱或外壳的电源线上所用的滤波器对进入和输出的噪声都予以衰减。当系统内产生高频(&500MHz)时，可以用圆盘式的穿心滤波器来隔离不同的系统(如模拟或数字系统)，以便消除有害的干扰。
不过，即便是再好的滤波方案也无法解决电路板设计低劣引起的问题。用长度过长，高感应的印刷线来连接电容器无疑将影响MLCC的谐振点。
如果将全频段的所有噪声都并联入地，则地平面就好像一个天线，将会导致强辐射问题。
任何时候，如果可能的话，应该使用多层板，这样，无论是电源还是地平面都具有较大的面积，可以降低系统中所产生的EMI问题。
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电容器选用及使用注意事项
我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。
　　滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。　　去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。　　旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。　　1.关于去耦电容蓄能作用的理解　　1)去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。你可以把总电源看作密云水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，等水过来，我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，阻抗Z=i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一(在vcc引脚上通常并联一个去藕电容，这样交流分量就从这个电容接地。)。　　2)有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。　　2.旁路电容和去耦电容的区别　　去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。　　旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。　　我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。　　在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦(decoupling)电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。　　高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。　　中典型的去耦电容值是0.1&F。这个电容的分布电感的典型值是5&H。0.1&F的去耦电容有5&H的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1&F、10&F的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10&F左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=\'1\'/F，即10MHz取0.1&F，100MHz取0.01&F。　　电容器选用及使用注意事项：　　1，一般在低频耦合或旁路，电气特性要求较低时，可选用纸介、涤纶电容器;在高频高压电路中，应选用云母电容器或瓷介电容器;在电源滤波和退耦电路中，可选用电解电容器。　　2，在振荡电路、延时电路、音调电路中，电容器容量应尽可能与计算值一致。在各种滤波及网(选频网络)，电容器容量要求精确;在退耦电路、低频耦合电路中，对同两级精度的要求不太严格。　　3，电容器额定电压应高于实际工作电压，并要有足够的余地，一般选用耐压值为实际工作电压两倍以上的电容器。　　4，优先选用绝缘电阻高，损耗小的电容器，还要注意使用环境。
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怎样在电路板上测量电容的好坏而不用拆下来。
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本帖最后由 王新烨 于
13:42 编辑
怎么在电路板上测量电容的好坏&&和是否漏电&&而不用拆下来
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是不是存在在交流电压，可判断
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是不是存在在交流电压，可判断
谢谢分享 我是新手
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沙发说得有点误区，不敢苟同。有些电路，里面的电容器在电路里是不容易检查出来的，必须拆下一个脚或者拿下来进行检测！否则会有误判的现象；个别的电容器测量还是好的，但在路就是不好用的现象也不是没有，只有更换掉才知道是否是它引起的。大概楼主没有碰到类似于这样的故障吧？
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沙发说得有点误区，不敢苟同。有些电路，里面的电容器在电路里是不容易检查出来的，必须拆下一个脚或者拿下 ...
赞同观点& && && && && && & 。不是什么都有捷径，需要努力的
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可用空心针头旋开一个脚来测量，此法也可用于电阻 二极管等2脚原件的测量，测量3极管可旋开B E或 B C极来测量。
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有些事情是不能省的。
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有些事情是不能省的。
同意！有的是测量不出来好坏的 个别的只能采用替换法！
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换新件，最省事。
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因为电容在电路中还与其他元件相联，必然有影响。
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