簡介

　　雖然人們普遍認(rèn)為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥，但是電容的價值并不僅限于此,。設(shè)計人員常常只想到添加幾個電容就可以解決大多數(shù)噪聲問題,，但卻很少去考慮電容和電壓額定值之外的參數(shù)。然而,，與所有電子器件一樣,，電容并不是十全十美的，相反,，電容會帶來寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL）的問題,，其電容值會隨溫度和電壓而變化，而且電容對機械效應(yīng)也非常敏感,。

　　雖然人們普遍認(rèn)為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥,，但是電容的價值并不僅限于此。設(shè)計人員常常只想到添加幾個電容就可以解決大多數(shù)噪聲問題,，但卻很少去考慮電容和電壓額定值之外的參數(shù),。然而，與所有電子器件一樣,，電容并不是十全十美的,，相反，電容會帶來寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL）的問題,，其電容值會隨溫度和電壓而變化,，而且電容對機械效應(yīng)也非常敏感。

　　設(shè)計人員在選擇旁路電容時,，以及電容用于濾波器,、積分器、時序電路和實際電容值非常重要的其它應(yīng)用時,，都必須考慮這些因素,。若選擇不當(dāng)，則可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定,、噪聲和功耗過大,、產(chǎn)品生命周期縮短，以及產(chǎn)生不可預(yù)測的電路行為,。

　　電容技術(shù)

　　電容具有各種尺寸,、額定電壓和其它特性，能夠滿足不同應(yīng)用的具體要求。常用電介質(zhì)材料包括油,、紙、玻璃,、空氣,、云母、聚合物薄膜和金屬氧化物,。每種電介質(zhì)均具有特定屬性,，決定其是否適合特定的應(yīng)用。

　　在電壓調(diào)節(jié)器中,，以下三大類電容通常用作電壓輸入和輸出旁路電容：多層陶瓷電容,、固態(tài)鉭電解電容和鋁電解電容。“附錄”部分對這三類電容進(jìn)行了比較,。

　　多層陶瓷電容

　　多層陶瓷電容（MLCC）不僅尺寸小,，而且將低ESR、低ESL和寬工作溫度范圍特性融于一體,，可以說是旁路電容的首選,。不過，這類電容也并非完美無缺,。根據(jù)電介質(zhì)材料不同,，電容值會隨著溫度、直流偏置和交流信號電壓動態(tài)變化,。另外,，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動或機械沖擊轉(zhuǎn)換為交流噪聲電壓。大多數(shù)情況下,，此類噪聲往往以微伏計,，但在極端情況下，機械力可以產(chǎn)生毫伏級噪聲,。

　　電壓控制振蕩器（VCO）,、鎖相環(huán)（PLL）、RF功率放大器（PA）和其它模擬電路都對供電軌上的噪聲非常敏感,。在VCO和PLL中,，此類噪聲表現(xiàn)為相位噪聲；在RF PA中,，表現(xiàn)為幅度調(diào)制,；而在超聲、CT掃描以及處理低電平模擬信號的其它應(yīng)用中,，則表現(xiàn)為顯示偽像,。盡管陶瓷電容存在上述缺陷，但由于尺寸小且成本低，因此幾乎在每種電子器件中都會用到,。不過,，當(dāng)調(diào)節(jié)器用在對噪聲敏感的應(yīng)用中時，設(shè)計人員必須仔細(xì)評估這些副作用,。

　　固態(tài)鉭電解電容

　　與陶瓷電容相比,，固態(tài)鉭電容對溫度、偏置和振動效應(yīng)的敏感度相對較低,。新興一種固態(tài)鉭電容采用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì),，而非常見的二氧化錳電解質(zhì)，其浪涌電流能力有所提高,，而且無需電流限制電阻,。此項技術(shù)的另一好處是ESR更低。固態(tài)鉭電容的電容值可以相對于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定,，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)僅包括容差,、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR。

　　導(dǎo)電聚合物鉭電容具有低ESR特性,，成本高于陶瓷電容而且體積也略大,，但對于不能忍受壓電效應(yīng)噪聲的應(yīng)用而言可能是唯一選擇。不過,，鉭電容的漏電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等值陶瓷電容,，因此不適合一些低電流應(yīng)用。

　　固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的缺點是此類鉭電容對無鉛焊接過程中的高溫更為敏感,，因此制造商通常會規(guī)定電容在焊接時不得超過三個焊接周期,。組裝過程中若忽視此項要求，則可能導(dǎo)致長期穩(wěn)定性問題,。

　　鋁電解電容

　　傳統(tǒng)的鋁電解電容往往體積較大,、ESR和ESL較高、漏電流相對較高且使用壽命有限（以數(shù)千小時計）,。而OS-CON電容則采用有機半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極,，以實現(xiàn)較低的ESR。這類電容雖然與固態(tài)聚合物鉭電容相關(guān),，但實際上要比鉭電容早10年或更久,。由于不存在液態(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問題，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統(tǒng)的鋁電解電容長,。大多數(shù)電容的工作溫度上限為105°C,，但現(xiàn)在OS-CON型電容可以在最高125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

　　雖然OS-CON型電容的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容,，但是與陶瓷電容或固態(tài)聚合物鉭電容相比,，往往體積更大且ESR更高。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣，這類電容不受壓電效應(yīng)影響,，因此適合低噪聲應(yīng)用,。

　　為LDO電路選擇電容輸出電容

　　ADI公司的低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）可以與節(jié)省空間的小型陶瓷電容配合使用，但前提是這些電容具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）,；輸出電容的ESR會影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性,。為確保穩(wěn)定性，建議采用至少1 µF且ESR最大為1 Ω的電容,。

　　輸出電容還會影響調(diào)節(jié)器對負(fù)載電流變化的響應(yīng)?？刂骗h(huán)路的大信號帶寬有限,，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流以500 mA/µs的速率從1 mA變?yōu)?00 mA時,，1µF電容無法提供足夠的電流,，因而產(chǎn)生大約80 mV的負(fù)載瞬態(tài)，如圖1所示,。當(dāng)電容增加到10 µF時,，負(fù)載瞬態(tài)會降至約70 mV，如圖2所示,。當(dāng)輸出電容再次增加并達(dá)到20 µF時,，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路可進(jìn)行跟蹤，主動降低負(fù)載瞬態(tài),，如圖3所示,。這些示例都采用線性調(diào)節(jié)器ADP151，其輸入和輸出電壓分別為5 V和3.3 V,。

　　圖1. 瞬態(tài)響應(yīng)（COUT = 1 μF）

　　圖2. 瞬態(tài)響應(yīng)（COUT = 10 μF）

　　圖3. 瞬態(tài)響應(yīng)（COUT = 20 μF）

　　簡介

　　雖然人們普遍認(rèn)為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥,，但是電容的價值并不僅限于此。設(shè)計人員常常只想到添加幾個電容就可以解決大多數(shù)噪聲問題,，但卻很少去考慮電容和電壓額定值之外的參數(shù),。然而，與所有電子器件一樣,，電容并不是十全十美的,，相反，電容會帶來寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL）的問題,，其電容值會隨溫度和電壓而變化,，而且電容對機械效應(yīng)也非常敏感。

　　雖然人們普遍認(rèn)為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥,，但是電容的價值并不僅限于此,。設(shè)計人員常常只想到添加幾個電容就可以解決大多數(shù)噪聲問題，但卻很少去考慮電容和電壓額定值之外的參數(shù)。然而,，與所有電子器件一樣,，電容并不是十全十美的，相反,，電容會帶來寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL）的問題,，其電容值會隨溫度和電壓而變化，而且電容對機械效應(yīng)也非常敏感,。

　　設(shè)計人員在選擇旁路電容時,，以及電容用于濾波器、積分器,、時序電路和實際電容值非常重要的其它應(yīng)用時,，都必須考慮這些因素。若選擇不當(dāng),，則可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定,、噪聲和功耗過大、產(chǎn)品生命周期縮短,，以及產(chǎn)生不可預(yù)測的電路行為,。

　　電容技術(shù)

　　電容具有各種尺寸、額定電壓和其它特性,，能夠滿足不同應(yīng)用的具體要求,。常用電介質(zhì)材料包括油、紙,、玻璃,、空氣、云母,、聚合物薄膜和金屬氧化物,。每種電介質(zhì)均具有特定屬性，決定其是否適合特定的應(yīng)用,。

　　在電壓調(diào)節(jié)器中,，以下三大類電容通常用作電壓輸入和輸出旁路電容：多層陶瓷電容、固態(tài)鉭電解電容和鋁電解電容,。“附錄”部分對這三類電容進(jìn)行了比較,。

　　多層陶瓷電容

　　多層陶瓷電容（MLCC）不僅尺寸小，而且將低ESR,、低ESL和寬工作溫度范圍特性融于一體,，可以說是旁路電容的首選。不過,，這類電容也并非完美無缺,。根據(jù)電介質(zhì)材料不同,，電容值會隨著溫度、直流偏置和交流信號電壓動態(tài)變化,。另外,，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動或機械沖擊轉(zhuǎn)換為交流噪聲電壓。大多數(shù)情況下,，此類噪聲往往以微伏計,，但在極端情況下，機械力可以產(chǎn)生毫伏級噪聲,。

　　電壓控制振蕩器（VCO）,、鎖相環(huán)（PLL）、RF功率放大器（PA）和其它模擬電路都對供電軌上的噪聲非常敏感,。在VCO和PLL中,，此類噪聲表現(xiàn)為相位噪聲；在RF PA中,，表現(xiàn)為幅度調(diào)制；而在超聲,、CT掃描以及處理低電平模擬信號的其它應(yīng)用中,，則表現(xiàn)為顯示偽像。盡管陶瓷電容存在上述缺陷,，但由于尺寸小且成本低,，因此幾乎在每種電子器件中都會用到。不過,，當(dāng)調(diào)節(jié)器用在對噪聲敏感的應(yīng)用中時,，設(shè)計人員必須仔細(xì)評估這些副作用。

　　固態(tài)鉭電解電容

　　與陶瓷電容相比,，固態(tài)鉭電容對溫度,、偏置和振動效應(yīng)的敏感度相對較低。新興一種固態(tài)鉭電容采用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì),，而非常見的二氧化錳電解質(zhì),，其浪涌電流能力有所提高，而且無需電流限制電阻,。此項技術(shù)的另一好處是ESR更低,。固態(tài)鉭電容的電容值可以相對于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)僅包括容差,、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR,。

　　導(dǎo)電聚合物鉭電容具有低ESR特性，成本高于陶瓷電容而且體積也略大,，但對于不能忍受壓電效應(yīng)噪聲的應(yīng)用而言可能是唯一選擇,。不過,，鉭電容的漏電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等值陶瓷電容，因此不適合一些低電流應(yīng)用,。

　　固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的缺點是此類鉭電容對無鉛焊接過程中的高溫更為敏感,，因此制造商通常會規(guī)定電容在焊接時不得超過三個焊接周期。組裝過程中若忽視此項要求,，則可能導(dǎo)致長期穩(wěn)定性問題,。

　　鋁電解電容

　　傳統(tǒng)的鋁電解電容往往體積較大、ESR和ESL較高,、漏電流相對較高且使用壽命有限（以數(shù)千小時計）,。而OS-CON電容則采用有機半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實現(xiàn)較低的ESR,。這類電容雖然與固態(tài)聚合物鉭電容相關(guān),，但實際上要比鉭電容早10年或更久。由于不存在液態(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問題,，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統(tǒng)的鋁電解電容長,。大多數(shù)電容的工作溫度上限為105°C，但現(xiàn)在OS-CON型電容可以在最高125°C的溫度范圍內(nèi)工作,。

　　雖然OS-CON型電容的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容,，但是與陶瓷電容或固態(tài)聚合物鉭電容相比，往往體積更大且ESR更高,。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣,，這類電容不受壓電效應(yīng)影響，因此適合低噪聲應(yīng)用,。

　　為LDO電路選擇電容輸出電容

　　ADI公司的低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）可以與節(jié)省空間的小型陶瓷電容配合使用,，但前提是這些電容具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）；輸出電容的ESR會影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性,。為確保穩(wěn)定性,，建議采用至少1 µF且ESR最大為1 Ω的電容。

　　輸出電容還會影響調(diào)節(jié)器對負(fù)載電流變化的響應(yīng),?？刂骗h(huán)路的大信號帶寬有限，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流,。當(dāng)負(fù)載電流以500 mA/µs的速率從1 mA變?yōu)?00 mA時,，1µF電容無法提供足夠的電流，因而產(chǎn)生大約80 mV的負(fù)載瞬態(tài),，如圖1所示,。當(dāng)電容增加到10 µF時，負(fù)載瞬態(tài)會降至約70 mV,，如圖2所示,。當(dāng)輸出電容再次增加并達(dá)到20 µF時,，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路可進(jìn)行跟蹤，主動降低負(fù)載瞬態(tài),，如圖3所示,。這些示例都采用線性調(diào)節(jié)器ADP151，其輸入和輸出電壓分別為5 V和3.3 V,。

　　圖1. 瞬態(tài)響應(yīng)（COUT = 1 μF）

　　圖2. 瞬態(tài)響應(yīng)（COUT = 10 μF）

　　圖3. 瞬態(tài)響應(yīng)（COUT = 20 μF）

　　輸入旁路電容

　　在VIN和GND之間連接一個1 μF電容可以降低電路對PCB布局的敏感性,，特別是在長輸入走線或高信號源阻抗的情況下。如果輸出端上要求使用1 μF以上的電容,，則應(yīng)增加輸入電容,，使之與輸出電容匹配。

　　輸入和輸出電容特性

　　輸入和輸出電容必須滿足預(yù)期工作溫度和工作電壓下的最小電容要求,。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造,，溫度和電壓不同，其特性也不相同,。對于5 V應(yīng)用,，建議采用電壓額定值為6.3 V至10 V的X5R或X7R電介質(zhì)。Y5V和Z5U電介質(zhì)的溫度和直流偏置特性不佳,，因此不適合與LDO一起使用,。

　　圖4所示為采用0402封裝的1 μF、10 V X5R電容與偏置電壓之間的關(guān)系,。電容的封裝尺寸和電壓額定值對其電壓穩(wěn)定性影響極大。一般而言,，封裝尺寸越大或電壓額定值越高,，電壓穩(wěn)定性也就越好。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在-40℃至+85°C溫度范圍內(nèi)為±15%,，與封裝或電壓額定值沒有函數(shù)關(guān)系,。

　　圖4. 電容與電壓的特性關(guān)系

　　要確定溫度、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況下電容,，可用溫度變化率和容差來調(diào)整標(biāo)稱電容,，

　　如公式1所示：CEFF = CBIAS × （1 – TVAR） × （1 –TOL）（1）

　　其中，CBIAS是工作電壓下的標(biāo)稱電容,；TVAR是溫度范圍內(nèi)最差情況下的電容變化率（百分率）,；TOL是最差情況下的元件容差（百分率）。

　　本例中,，X5R電介質(zhì)在–40°C至+85°C范圍內(nèi)的TVAR為15%,；TOL為10%；CBIAS在1.8 V時為0.94 μF,，如圖4所示,。將這些值代入公式1,， 即可得出：CEFF = 0.94 μF × （1 – 0.15） × （1 – 0.1） = 0.719 μF

　　在工作電壓和溫度范圍內(nèi)，ADP151的最小輸出旁路電容額定值為0.70 μF,，因而此電容符合該項要求,。

　　總結(jié)

　　為保證LDO的性能，必須正確認(rèn)識并嚴(yán)格評估旁路電容的直流偏置,、溫度變化率和容差,。在要求低噪聲、低漂移或高信號完整性的應(yīng)用中,，也必須考慮電容技術(shù),。所有電容都存在一些不夠理想的行為效應(yīng)，因此所選的電容技術(shù)必須與應(yīng)用需求相適應(yīng),。

　　附錄

　　圖A. 用于電源旁路的常用電容

　　從頂部開始沿順時針方向依次為（刻度為毫米）：

　　100 μF/6.3 V聚合物固態(tài)鋁電容

　　1 μF/35 V和10 μF/25 V固態(tài)鉭電容

　　1 μF/25 V,、4.7 μF/16 V和10 μF/25 V多層陶瓷電容

　　10 μF/16 V和22 μF/25 V鋁電解電容