电容器阻抗/ESR频率特性是指什么

Ferrya

电容器阻抗/ESR频率特性是指什么

: j, o, K% `( f: q4 c
+ I2 v  I9 G: [) I# P2 G$ i
阐述电容器的阻抗大小|Z|和等价串联电阻(ESR)的频率特性。
0 z  U) g/ v+ ~& W; ^( Q" Z
通过了解电容器的频率特性，可对诸如电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进行判断，可以说是设计电路时不可或缺的重要参数。此处对频率特性中的阻抗大小|Z|和ESR进行说明。

1.电容器的频率特性
& r! G8 {! a& f' t2 w. G如假设角频率为ω，电容器的静电容量为C，则理想状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式(1)表示。
0 |% n5 y- X. v( G

图1.理想电容器

+ P" o( x9 j* T8 t  ?由公式(1)可看出，阻抗大小|Z|如图2所示，与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗，故等价串联电阻(ESR)为零。

图2.理想电容器的频率特性

! x8 ~7 p0 ]+ D, }7 v* L' b: p, }
但实际电容器(图3)中除有容量成分Ｃ外，还有因电介质或电极损耗产生的电阻（ESR）及电极或导线产生的寄生电感(ESL)。因此，|Z|的频率特性如图4所示呈V字型（部分电容器可能会变为U字型）曲线，ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。

图3.实际电容器

! F8 i, K- \) X% e5 E! [+ [' a

图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)

' r- |8 T* J- ]+ {% z; W% Y8 h9 b|Z|和ESR变为图4曲线的原因如下。

- S2 _5 N9 g( z0 U! B: o低频率范围：低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。
2 C1 z' [" u5 v) O- `9 f2 A
共振点附近：频率升高，则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率，此时|Z|=ESR。若大于自振频率，则元件特性由电容器转变为电感，|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域，反之则称作感性领域。
" H* T& s0 T3 p, Z4 `ESR除了受介电损耗的影响，还受电极自身抵抗行程的损耗影响。


高频范围：共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势增加。ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。
. @, \8 K' b8 L; N6 t1 E  O

以上为实际电容器的频率特性。重要的是，频率越高，就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多，ESR和ESL与静电容量值一样，成为表示电容器性能的重要参数。

. g) L; c+ B8 P5 U7 ^# o# C2.各种电容器的频率特性

3 B  k9 q# |6 o: o4 n, l" t# R
以上就电容器寄生成分ESR、ESL对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同，则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。
# q. s& S/ n2 }7 N5 W: z# t图5表示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性。除薄膜电容器以外，全是SMD型电容器。

图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性

7 K( l8 D4 r0 f) R, T" ]图5所示电容器的静电容量值均为10uF，因此频率不足1kHz的容量范围|Z|均为同等值。但1kHz以上时，铝电解电容器或钽电解电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器大，这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高，导致ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料，因此ESR很低。
# b3 x; B, Y- ^( k: y) `0 |9 l3 q多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同，但多层陶瓷电容器的自振频率高，感应范围的|Z|则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。
6 V  K0 r9 I" r  F, I由以上结果可以得出，SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低，也最适于高频用途。
5 _) ]4 Y- Z. v, z
4 u7 ~! [$ m% [. V8 Q3.多层陶瓷电容器的频率特性
多层陶瓷电容器可按原材料及形状分为很多种类。下面就这些因素对频率特性的影响进行说明。
% W( T6 N" M7 Z9 F, ]; k, e(1)关于ESR
8 D6 s' S2 `" G处于容性领域的ESR由电介质材料产生的介质损耗决定。Class2(种类2)中的高介质率材料因使用强电介质，故有ESR增大的倾向。Class１(种类1)的温度补偿材料因使用一般电介质，因此介质损耗非常小，ESR数值也很小。
共振点附近到感性领域的高频领域中的ESR除受电极材料的比电阻率、电极形状（厚度、长度、宽度）、叠层数影响外，还受趋肤效应或接近效应的影响。电极材料多使用Ni，但低损耗型电容器中，有时也会选用比电阻率低的Cu作为电极材料。

(2)关于ESL
# y8 {$ v, P1 i8 b6 J* a5 h多层陶瓷电容器的ESL极易受内部电极结构影响。设内部电极大小的长度为l、宽度为w、厚为d时，根据F.W.Grover，电极电感ESL可用公式(3)表示。
, Y8 e& R4 M: L. S5 n: w* p$ H

& s( p8 I/ y& h; R由此公式可得知，电容器的电极越短，越宽，越厚，则ESL越小。
) ]6 E" k2 D7 o- v6 D( V/ k图6表示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系。相同容量，尺寸越小，自振频率越高，则ESL越小。由此，可以说长度l较短的小型电容器适用于高频领域。

图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系

" \, y9 Y* _# F! H
. @5 l) A: R7 P

helendcany

谢谢楼主分享