電容器阻抗/ESR頻率特性是指什麼?

2021-01-15 EDN電子技術設計

現就電容器的阻抗大小|Z|和等價串聯電阻(ESR)的頻率特性進行闡述。


通過了解電容器的頻率特性，可對諸如電源線消除噪音能力和抑制電壓波動能力進行判斷，可以說是設計迴路時不可或缺的重要參數。此處對頻率特性中的阻抗大小|Z|和ESR進行說明。


1.電容器的頻率特性
如假設角頻率為ω，電容器的靜電容量為C，則理想狀態下電容器(圖1)的阻抗Z可用公式(1)表示。


圖1.理想電容器


圖2.理想電容器的頻率特性


但實際電容器(圖3)中除有容量成分Ｃ外，還有因電介質或電極損耗產生的電阻（ESR）及電極或導線產生的寄生電感(ESL)。因此，|Z|的頻率特性如圖4所示呈V字型（部分電容器可能會變為U字型）曲線，ESR也顯示出與損耗值相應的頻率特性。

圖3.實際電容器


圖4.實際電容器的|Z|/ESR頻率特性(例)


|Z|和ESR變為圖4曲線的原因如下。


低頻率範圍：低頻率範圍的|Z|與理想電容器相同，都與頻率呈反比趨勢減少。ESR值也顯示出與電介質分極延遲產生的介質損耗相應的特性。


共振點附近：頻率升高，則|Z|將受寄生電感或電極的比電阻等產生的ESR影響，偏離理想電容器（紅色虛線），顯示最小值。|Z|為最小值時的頻率稱為自振頻率，此時|Z|=ESR。若大於自振頻率，則元件特性由電容器轉變為電感，|Z|轉而增加。低於自振頻率的範圍稱作容性領域，反之則稱作感性領域。


ESR除了受介電損耗的影響，還受電極自身抵抗行程的損耗影響。


高頻範圍：共振點以上的高頻率範圍中的|Z|的特性由寄生電感(L)決定。高頻範圍的|Z|可由公式(2)近似得出，與頻率成正比趨勢增加。


ESR逐漸表現出電極趨膚效應及接近效應的影響。



以上為實際電容器的頻率特性。重要的是，頻率越高，就越不能忽視寄生成分ESR或ESL的影響。隨著電容器在高頻領域的應用越來越多，ESR和ESL與靜電容量值一樣，成為表示電容器性能的重要參數。


2.各種電容器的頻率特性


以上就電容器寄生成分ESR、ESL對頻率特性的巨大影響進行了說明。電容器種類不同，則寄生成分也會有所不同。接下來對不同種類電容器頻率特性的區別進行說明。


圖5表示靜電容量10uF各種電容器的|Z|及ESR的頻率特性。除薄膜電容器以外，全是SMD型電容器。


圖5.各種電容器的|Z|/ESR頻率特性


圖5所示電容器的靜電容量值均為10uF，因此頻率不足1kHz的容量範圍|Z|均為同等值。但1kHz以上時，鋁電解電容器或鉭電解電容器的|Z|比多層陶瓷電容器或薄膜電容器大，這是因為鋁電解電容器或鉭電解電容器的電解質材料的比電阻升高，導致ESR增大。薄膜電容器或多層陶瓷電容器的電極中使用了金屬材料，因此ESR很低。


多層陶瓷電容器和引腳型薄膜電容器在共振點附近的特性基本相同，但多層陶瓷電容器的自振頻率高，感應範圍的|Z|則較低。這是由於引腳型薄膜電容器中只有引腳線部分的電感增大了。


由以上結果可以得出，SMD型的多層陶瓷電容器在較寬的頻率範圍內阻抗都很低，也最適於高頻用途。


3.多層陶瓷電容器的頻率特性


多層陶瓷電容器可按原材料及形狀分為很多種類。下面就這些因素對頻率特性的影響進行說明。


(1)關於ESR


處於容性領域的ESR由電介質材料產生的介質損耗決定。Class2(種類2)中的高介質率材料因使用強電介質，故有ESR增大的傾向。Class１(種類1)的溫度補償材料因使用一般電介質，因此介質損耗非常小，ESR數值也很小。


共振點附近到感性領域的高頻領域中的ESR除受電極材料的比電阻率、電極形狀（厚度、長度、寬度）、疊層數影響外，還受趨膚效應或接近效應的影響。電極材料多使用Ni，但低損耗型電容器中，有時也會選用比電阻率低的Cu作為電極材料。


(2)關於ESL


多層陶瓷電容器的ESL極易受內部電極結構影響。設內部電極大小的長度為l、寬度為w、厚為d時，根據F.W.Grover，電極電感ESL可用公式(3)表示。



由此公式可得知，電容器的電極越短，越寬，越厚，則ESL越小。


圖6表示各尺寸多層陶瓷電容器的額定容量與自振頻率的關係。相同容量，尺寸越小，自振頻率越高，則ESL越小。由此，可以說長度l較短的小型電容器適用於高頻領域。

圖6.各尺寸額定容量值與自振頻率的關係


圖7為長度l縮短，寬度w增大的LW逆轉型電容器。由圖8的頻率特性可知，即使容量相同，LW逆轉型電容器的阻抗低於一般電容器，特性優良。使用LW逆轉型電容器，即使數量少於一般電容器，也可獲得同等性能，通過減少元件數量可以降低成本，縮減實裝面積。


圖7.LW逆轉型電容器的外觀圖8.LW逆轉型電容器與通用品的|Z|/ESR


4.獲得頻率特性數據的方法


頻率特性數據可通過阻抗分析儀或矢量網絡分析儀獲取。最近，也可在各元器件廠商的Web網站中確認。


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