如何理解電容的阻抗-頻率曲線

今天我們來說一說電容的阻抗頻率曲線。首先呢，為什麼要講這個呢？那是因為這個非常重要，對我們使用電容有很大的指導意義。

 

電容阻抗-頻率曲線圖

           

上圖是一個典型的電容的阻抗頻率曲線圖，為什麼說它非常重要呢？首先它非常直觀，橫軸上是頻率，縱軸是阻抗，我們能很清楚的看出在各個頻率點上，電容的總阻抗是多少。也能知道它在哪個頻率點上諧振， ESR是多少。而這些內容，都是我們在選擇電容時所必須要了解的。

 

曲線圖的來源

那麼，電容曲線圖為什麼是這樣的呢？這是因為電容都不是理想的，它會存在寄生參數，可用簡化模型表示。

ESR是等效串聯電阻，ESL是等效串聯電感，C為理想電容。因此實際電容的阻抗可以用數學公式表示

我們畫出這個公式的曲線，就得到一個曲線圖。

在頻率很低的時候，可以看到，感抗遠小於容抗，並且復阻抗的相位為負值，說明電流超前電壓，這是典型的電容充電特性，所以說，電容在低頻主要表現為容性。

而在高頻的時候，感抗遠大於容抗，復阻抗的相位為正值，說明電壓超前電流，是典型的電感施加電壓時的行為特徵，所以說，電容在高頻時表現為電感特性。

而在諧振時，容抗和感抗相抵為0，此時電容的總阻抗最小，復阻抗相位為0，表現為純電阻特性，這個點就是電容的自諧振頻率。在諧振頻率左邊，電容主要呈容性，在諧振頻率右邊，電容主要呈感性。

 

濾波電容如何選擇

電容最廣泛的用途就是濾波，那麼如何看曲線選電容呢？其實就是選阻抗最低的。

我們知道，整個阻抗曲線呈大V型，只有在諧振頻率點附近的阻抗才比較低。所以，實際的去耦電容都有一定的工作頻率範圍，只有在諧振頻率附近，電容才有很好的去耦作用。

可能有人會覺得，在頻率比諧振頻率高一點的時候，電容都成感性了，都不是電容了，所以不能讓噪聲的頻率大於電容的諧振頻率。其實這是錯誤的，去耦就是要選阻抗低的，阻抗低，在電容上產生的電壓波動就小，也就是噪聲會小。

 

常規的MLCC陶瓷電容的曲線圖

來看下常規的MLCC陶瓷電容的曲線圖。可以看出，不同的電容，曲線是不同的，容量大的ESR要小寫，諧振頻率低些，主要濾低頻。容量小的ESR要大些，諧振頻率要高些，主要濾高頻。

兩種方式組合濾波

實際電路中我們需要去耦的頻率範圍會比較寬，因此呢一個電容搞不定，那怎麼辦呢？我們經常有兩種方法來解決，一種是使用一個大電容和一個小電容並聯，還有一種是使用多個相同的電容並聯。那麼這兩種方法達到的效果分別是怎樣的呢？

首先來看大小電容並聯。大小兩個電容分別有各自的諧振頻率f1和f2。

當頻率比較低的時候，兩個電容都成容性，在頻率比較高的時候，兩個電容都呈感性，並聯後總體阻抗曲線都會保持原來的變化趨勢，因此，數值上會比任意一個電容都小。

但是，當頻率大於f1並小於f2時，大電容呈感性小電容呈容性，兩者並聯，就像是一個電感和一個電容並聯，構成了LC並聯諧振電路，並在某一個頻率點發生並聯諧振，導致該處阻抗很大。如果負載晶片的電流需求正好落在這個頻率，那麼會導致電壓波動超標。所以，我們需要選好電容的搭配情況。

再來看看相同電容並聯的情況，n個相同的電容並聯，諧振頻率和單個電容一樣，但是在諧振點處的阻抗是原來的n分之一，因此，多個相同的電容並聯後，阻抗曲線整體形狀不變，但是各個頻點的整體阻抗變小。

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