電容器被廣泛視為解決噪聲相關(guān)問(wèn)題的靈丹妙藥,，值得更多尊重,。設(shè)計(jì)人員通常認(rèn)為增加幾個(gè)電容器可以解決大多數(shù)噪聲問(wèn)題，但很少考慮電容和額定電壓以外的參數(shù),。然而,，像所有電子元件一樣,，電容器并不完美。相反,，它們具有寄生有效串聯(lián)電阻 （ESR） 和電感 （ESL）,；它們的電容隨溫度和電壓而變化；它們對(duì)機(jī)械效應(yīng)很敏感,。
設(shè)計(jì)人員在選擇旁路電容時(shí),，以及在濾波器、積分器,、定時(shí)電路和其他實(shí)際電容值很重要的應(yīng)用中使用時(shí),，必須考慮這些因素。選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定,、噪聲和功耗過(guò)大,、產(chǎn)品壽命縮短以及電路行為不可預(yù)測(cè)。
電容器技術(shù)
電容器具有多種外形尺寸,、額定電壓和其他特性,，可滿(mǎn)足各種應(yīng)用的要求。常用的介電材料包括油,、紙,、玻璃、空氣,、云母,、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質(zhì)都有特定的特性,，會(huì)影響其對(duì)特定應(yīng)用的適用性,。
在穩(wěn)壓器中，通常使用三大類(lèi)電容器作為電壓輸入和輸出旁路電容器：多層陶瓷電容器,、固體鉭電解電容器和鋁電解電容器,。附錄提供了比較。
多層陶瓷
多層陶瓷電容器 （MLCC） 兼具小尺寸,、低 ESR,、低 ESL 和寬工作溫度范圍，使其成為旁路電容器的首選,。然而,，它們并非沒(méi)有缺點(diǎn)。根據(jù)介電材料的不同,，電容會(huì)隨溫度,、直流偏置和交流信號(hào)電平而發(fā)生顯著變化。此外，介電材料的壓電性質(zhì)可以將振動(dòng)或機(jī)械沖擊轉(zhuǎn)化為交流噪聲電壓,。在大多數(shù)情況下,，這種噪聲往往在微伏量級(jí)，但在極端情況下,，機(jī)械力會(huì)產(chǎn)生毫伏范圍內(nèi)的噪聲,。
壓控振蕩器 （VCO）、鎖相環(huán) （PLL）,、RF 功率放大器 （PA） 和其他模擬電路對(duì)其電源軌上的噪聲很敏感,。這種噪聲表現(xiàn)為VCO和PLL中的相位噪聲、RF PA中的幅度調(diào)制以及超聲,、CT掃描和其他處理低電平模擬信號(hào)的應(yīng)用中的顯示偽影,。盡管存在這些缺陷，但幾乎所有電子設(shè)備都使用陶瓷電容器,，因?yàn)樗鼈冋嫉孛娣e小，成本低,。然而,，對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用中使用的穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)評(píng)估其副作用,。
固體鉭電解
與陶瓷電容器相比,，固體鉭電容器對(duì)溫度、偏置和振動(dòng)的影響不太敏感,。最近的一種變體使用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)代替通常的二氧化錳電解質(zhì),，提供改進(jìn)的浪涌電流能力，并且無(wú)需限流電阻器,。較低的 ESR 是該技術(shù)的另一個(gè)好處,。固態(tài)鉭電容器在溫度和偏置電壓下具有穩(wěn)定的電容，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)只需考慮容差,、工作溫度下的電壓降額和最大 ESR,。
具有低ESR的導(dǎo)電聚合物鉭電容器成本更高，并且比陶瓷電容器大一些,，但對(duì)于由于壓電效應(yīng)而無(wú)法承受噪聲的應(yīng)用來(lái)說(shuō),，這可能是唯一的選擇。然而,，鉭電容器的漏電流遠(yuǎn)大于等值陶瓷電容器,，因此不適合某些低電流應(yīng)用。
固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是這種類(lèi)型的鉭電容器對(duì)無(wú)鉛（Pb）焊接過(guò)程中遇到的高溫更敏感,，制造商通常規(guī)定電容器的焊接周期不超過(guò)三個(gè),。在裝配過(guò)程中忽略此要求可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期的可靠性問(wèn)題。
鋁電解
傳統(tǒng)的鋁電解電容器往往很大，具有高ESR和ESL,，相對(duì)較高的泄漏電流和有限的使用壽命 - 以數(shù)千小時(shí)為單位,。OS-CON電容器采用有機(jī)半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極來(lái)實(shí)現(xiàn)低ESR。雖然與固體聚合物鉭電容器有關(guān),，但它們實(shí)際上比鉭電容器早了 10 年或更長(zhǎng)時(shí)間,。由于沒(méi)有液體電解質(zhì)變干，OS-CON型電容器的使用壽命優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容器,。大多數(shù)電容器限制在 105°C,，但現(xiàn)在提供能夠 125°C 工作的 OS-CON 型電容器。
雖然OS-CON型電容器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容器,，但它們往往比陶瓷或固體聚合物鉭電容器更大,，ESR更高。與固體聚合物鉭電容器一樣,，它們不會(huì)受到壓電效應(yīng)的影響,，因此適用于低噪聲應(yīng)用。
為L(zhǎng)DO電路選擇電容器
輸出電容
ADI公司的低壓差穩(wěn)壓器（LDO）可以使用小型,、節(jié)省空間的陶瓷電容工作,，只要它們具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）；輸出電容的ESR會(huì)影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性,。為確保穩(wěn)定性,，建議最小電容為1 μF，最大ESR為1 Ω,。
輸出電容也會(huì)影響穩(wěn)壓器對(duì)負(fù)載電流變化的響應(yīng),。控制環(huán)路具有有限的大信號(hào)帶寬,，因此輸出電容必須為非?？焖俚乃沧兲峁┐蟛糠重?fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流在500 mA/μs時(shí)從1 mA切換到200 mA時(shí),，無(wú)法提供足夠電流的1 μF電容會(huì)產(chǎn)生約80 mV的負(fù)載瞬變,，如圖1所示。將電容增加到10 μF可將負(fù)載瞬變降至約70 mV,，如圖2所示,。將輸出電容進(jìn)一步增加到20 μF，允許穩(wěn)壓器控制環(huán)路跟蹤,，從而主動(dòng)降低負(fù)載瞬變,，如圖3所示。這些示例使用具有5 V輸入和3.3 V輸出的線(xiàn)性穩(wěn)壓器ADP151,。
圖1.COUT = 1 μF時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng),。
圖2.COUT = 10 μF時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng),。
圖3.COUT = 20 μF時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)。
輸入旁路電容器
從V連接1 μF電容在接地會(huì)降低電路對(duì)印刷電路板 （PCB） 布局的敏感性,，尤其是在遇到長(zhǎng)輸入走線(xiàn)或高源阻抗時(shí),。當(dāng)輸出端需要超過(guò)1 μF時(shí)，增加輸入電容以匹配輸出電容,。
輸入和輸出電容器屬性
輸入和輸出電容必須滿(mǎn)足預(yù)期工作溫度和工作電壓下的最低電容要求,。陶瓷電容器具有多種電介質(zhì)，每種電介質(zhì)相對(duì)于溫度和電壓具有不同的行為,。對(duì)于 5V 應(yīng)用,，建議使用 6.3V 至 10V 額定電壓的 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。Y5V 和 Z5U 電介質(zhì)的特性相對(duì)于溫度和直流偏置較差,，因此不適合與 LDO 一起使用,。
圖4顯示了采用0402封裝的1μF、10V X5R電容器的電容與偏置電壓特性的關(guān)系,。電容器的封裝尺寸和額定電壓對(duì)其電壓穩(wěn)定性有很大影響,。通常，更大的封裝或更高的額定電壓將提供更好的電壓穩(wěn)定性,。X5R 電介質(zhì)在 –40°C 至 +85°C 溫度范圍內(nèi)的溫度變化為 ±15%,，與封裝或額定電壓無(wú)關(guān)。
圖4.電容與電壓特性的關(guān)系
為了確定溫度,、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況電容,，請(qǐng)根據(jù)溫度變化和容差來(lái)調(diào)整標(biāo)稱(chēng)電容,，如公式1所示：
CEFF = CBIAS × （1 – TVAR） × （1 –TOL）
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其中CBIAS是工作電壓下的標(biāo)稱(chēng)電容；TVAR是溫度變化的最差情況電容（作為1的分?jǐn)?shù)）,；TOL 是最差情況下的組件容差（作為 1 的分?jǐn)?shù)）,。
在本例中，對(duì)于 X5R 電介質(zhì),，TVAR 在 –40°C 至 +85°C 范圍內(nèi)為 15%;托爾為10%;CBIAS在1.8 V時(shí)為0.94 μF,，如圖4所示。在公式1中使用這些值得到：
CEFF= 0.94 μF × (1 – 0.15) × (1 – 0.1) = 0.719 μF
ADP151在工作電壓和溫度范圍內(nèi)的最小輸出旁路電容為0.70 μF,，因此該電容滿(mǎn)足這一要求,。
結(jié)論
為了保證LDO的性能，必須了解和評(píng)估直流偏置,、溫度變化和旁路電容容差的影響,。在需要低噪聲、低漂移或高信號(hào)完整性的應(yīng)用中,，還必須考慮電容技術(shù),。所有電容器都會(huì)受到非理想行為的影響,，因此選擇的電容器技術(shù)必須符合應(yīng)用的需求。
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