

ESR是等效串联电阻,ESL是等效串联电感,C为理想电容。因此实际电容的阻抗可以用数学公式


我们画出这个公式的曲线,就得到一个曲线图。

在频率很低的时候,可以看到,感抗远小于容抗,并且复阻抗的相位为负值,说明电流超前电压,这是典型的电容充电特性,所以说,电容在低频主要表现为容性。
而在高频的时候,感抗远大于容抗,复阻抗的相位为正值,说明电压超前电流,是典型的电感施加电压时的行为特征,所以说,电容在高频时表现为电感特性。
而在谐振时,容抗和感抗相抵为0,此时电容的总阻抗最小,复阻抗相位为0,表现为纯电阻特性,这个点就是电容的自谐振频率。在谐振频率左边,电容主要呈容性,在谐振频率右边,电容主要呈感性。
电容最广泛的用途就是滤波,那么如何看曲线选电容呢?其实就是选阻抗最低的。

我们知道,整个阻抗曲线呈大V型,只有在谐振频率点附近的阻抗才比较低。所以,实际的去耦电容都有一定的工作频率范围,只有在谐振频率附近,电容才有很好的去耦作用。
可能有人会觉得,在频率比谐振频率高一点的时候,电容都成感性了,都不是电容了,所以不能让噪声的频率大于电容的谐振频率。其实这是错误的,去耦就是要选阻抗低的,阻抗低,在电容上产生的电压波动就小,也就是噪声会小。
来看下常规的MLCC陶瓷电容的曲线图。可以看出,不同的电容,曲线是不同的,容量大的ESR要小写,谐振频率低些,主要滤低频。容量小的ESR要大些,谐振频率要高些,主要滤高频。

实际电路中我们需要去耦的频率范围会比较宽,因此呢一个电容搞不定,那怎么办呢?我们经常有两种方法来解决,一种是使用一个大电容和一个小电容并联,还有一种是使用多个相同的电容并联。那么这两种方法达到的效果分别是怎样的呢?

首先来看大小电容并联。大小两个电容分别有各自的谐振频率f1和f2

当频率比较低的时候,两个电容都成容性,在频率比较高的时候,两个电容都呈感性,并联后总体阻抗曲线都会保持原来的变化趋势,因此,数值上会比任意一个电容都小。
但是,当频率大于f1并小于f2时,大电容呈感性小电容呈容性,两者并联,就像是一个电感和一个电容并联,构成了LC并联谐振电路,并在某一个频率点发生并联谐振,导致该处阻抗很大。如果负载芯片的电流需求正好落在这个频率,那么会导致电压波动超标。所以,我们需要选好电容的搭配情况。
再来看看相同电容并联的情况,n个相同的电容并联,谐振频率和单个电容一样,但是在谐振点处的阻抗是原来的n分之一,因此,多个相同的电容并联后,阻抗曲线整体形状不变,但是各个频点的整体阻抗变小。

clear
clc
%求电容的谐振频率
c=0.1e-6; %0.1uf
r=0.02; %0.02oumu
l=0.0001e-6; %0.0001uh
f=50e3:1e3:50e9;
w=2*pi*f;
f_resonant=1/(2*pi*sqrt(l*c));
fprintf('谐振频率:%.2e MHz\n',f_resonant/1e6);
Zc=(1./(1j*w*c))+r+1j*w*l;
Z_mag=abs(Zc);
subplot(2,1,1);
loglog(f,Z_mag);
title('用loglog绘制')
subplot(2,1,2);
fann=atan2((w*l-(1./(w*c))),r)*(180/pi);
semilogx(f,fann);

-
两个电容并联
clear clc %求电容的谐振频率 c=10e-6; %10uf r=0.002522; %oumu l=0.001e-6; %0.001uh f=50e3:1e3:50e9; w=2*pi*f; f_resonant=1/(2*pi*sqrt(l*c)); fprintf('谐振频率:%.2e MHz\n',f_resonant/1e6); Zc=(1./(1j*w*c))+r+1j*w*l; Z_mag=abs(Zc); c1=0.1e-6; %0.1uf r1=0.02; %0.02oumu l1=0.0001e-6; %0.0001uh f_resonant1=1/(2*pi*sqrt(l1*c1)); fprintf('谐振频率:%.2e MHz\n',f_resonant1/1e6); Zc1=(1./(1j*w*c1))+r1+1j*w*l1; Z_mag1=abs(Zc1); for n=1:1:49999951 Zc2(n)=(Zc(n) .* Zc1(n)) / (Zc(n)+Zc1(n)); Z_mag2(n)=abs(Zc2(n)); end loglog(f,Z_mag); hold on; loglog(f,Z_mag1); hold on; scatter(f,Z_mag2); hold on; title('用loglog绘制')

两种电容并联,会出现两个谐振频率点,同时还会出现一个反谐振频率点。