<p>本文就电容器的阻抗大小|Z|和等价串联电阻(ESR)的频率特性进行阐述。通过了解电容器的频率特性，可对诸如电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进行判断，可以说是设计回路时不可或缺的重要参数。此处对频率特性中的阻抗大小|Z|和ESR进行说明。</p>
<p><strong>1.电容器的频率特性</strong></p>
<p><br />
如假设角频率为ω，电容器的静电容量为C，则理想状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式<br />
(1)表示。</p>
<p><img alt="图1.理想电容器" data-entity-type="file" data-entity-uuid="bd2b7b1f-b4aa-40bf-9e36-7271cb52c542" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1.%E7%90%86%E6%83%B3%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8.png" /></p>
<p>图1.理想电容器</p>
<p><img alt="公式" data-entity-type="file" data-entity-uuid="005ab514-81f4-4a06-82aa-206852e34aaf" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F_0.png" /></p>
<p>由公式(1)可看出，阻抗大小|Z|如图2所示，与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗，故等价串联电阻(ESR)为零。</p>
<p><img alt="图2.理想电容器的频率特性" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a0d41828-8485-441f-9be3-880cac5a351c" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2.%E7%90%86%E6%83%B3%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E7%9A%84%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%89%B9%E6%80%A7.png" /></p>
<p>图2.理想电容器的频率特性</p>
<p>但实际电容器(图3)中除有容量成分Ｃ外，还有因电介质或电极损耗产生的电阻（ESR）及电极或导线产生的寄生电感(ESL)。因此，|Z|的频率特性如图4所示呈V字型（部分电容器可能会变为U字型）曲线，ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。</p>
<p><img alt="图3.实际电容器" data-entity-type="file" data-entity-uuid="46527dc7-9045-4680-8c2a-9a7e8b6c4680" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3.%E5%AE%9E%E9%99%85%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8.png" /></p>
<p>图3.实际电容器</p>
<p><img alt="图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)" data-entity-type="file" data-entity-uuid="87a380ea-9596-4cc7-b374-48ea7567d482" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4.%E5%AE%9E%E9%99%85%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E7%9A%84ESR%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%89%B9%E6%80%A7%28%E4%BE%8B%29.png" /></p>
<p>图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)</p>
<p>|Z|和ESR变为图4曲线的原因如下。<br />
<br />
低频率范围：低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。</p>
<p>共振点附近：频率升高，则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率，此时|Z|=ESR。若大于自振频率，则元件特性由电容器转变为电感，|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域，反之则称作感性领域。</p>
<p>ESR除了受介电损耗的影响，还受电极自身抵抗行程的损耗影响。</p>
<p>高频范围：共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势增加。</p>
<p>ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。</p>
<p><img alt="公式2" data-entity-type="file" data-entity-uuid="70a03673-69fb-4ccd-824d-c79c44fc0cf2" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F2_0.png" /></p>
<p>以上为实际电容器的频率特性。重要的是，频率越高，就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多，ESR和ESL与静电容量值一样，成为表示电容器性能的重要参数。</p>
<p><strong>2.各种电容器的频率特性</strong></p>
<p>以上就电容器寄生成分ESR、ESL对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同，则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。</p>
<p>图5表示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性。除薄膜电容器以外，全是SMD型电容器。</p>
<p><img alt="图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a8676f3f-73f4-48a4-9036-2f39ee342eea" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5.%E5%90%84%E7%A7%8D%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E7%9A%84ESR%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%89%B9%E6%80%A7.png" /></p>
<p>图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性</p>
<p>图5所示电容器的静电容量值均为10uF，因此频率不足1kHz的容量范围|Z|均为同等值。但1kHz以上时，铝电解电容器或钽电解电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器大，这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高，导致ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料，因此ESR很低。</p>
<p>多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同，但多层陶瓷电容器的自振频率高，感应范围的|Z|则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。</p>
<p>由以上结果可以得出，SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低，也最适于高频用途。</p>
<p><strong>3.多层陶瓷电容器的频率特性</strong></p>
<p>多层陶瓷电容器可按原材料及形状分为很多种类。下面就这些因素对频率特性的影响进行说明。</p>
<p>(1)关于ESR<br />
处于容性领域的ESR由电介质材料产生的介质损耗决定。Class2(种类2)中的高介质率材料因使用强电介质，故有ESR增大的倾向。Class１(种类1)的温度补偿材料因使用一般电介质，因此介质损耗非常小，ESR数值也很小。</p>
<p>共振点附近到感性领域的高频领域中的ESR除受电极材料的比电阻率、电极形状（厚度、长度、宽度）、叠层数影响外，还受趋肤效应或接近效应的影响。电极材料多使用Ni，但低损耗型电容器中，有时也会选用比电阻率低的Cu作为电极材料。<br />
<br />
(2)关于ESL<br />
多层陶瓷电容器的ESL极易受内部电极结构影响。设内部电极大小的长度为l、宽度为w、厚为d时，根据F.W.Grover，电极电感ESL可用公式(3)表示。</p>
<p><img alt="公式3" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e33cd0de-6163-4aac-81be-aa3a23610c45" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F3.png" /></p>
<p>由此公式可得知，电容器的电极越短，越宽，越厚，则ESL越小。<br />
图6表示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系。相同容量，尺寸越小，自振频率越高，则ESL越小。由此，可以说长度l较短的小型电容器适用于高频领域。</p>
<p><img alt="图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系" data-entity-type="file" data-entity-uuid="46722b1d-b57c-4ce1-8214-8d97bcd48bcf" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6.%E5%90%84%E5%B0%BA%E5%AF%B8%E9%A2%9D%E5%AE%9A%E5%AE%B9%E9%87%8F%E5%80%BC%E4%B8%8E%E8%87%AA%E6%8C%AF%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%9A%84%E5%85%B3%E7%B3%BB.png" /></p>
<p>图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系</p>
<p>图7为长度l缩短，宽度w增大的LW逆转型电容器。由图8的频率特性可知，即使容量相同，LW逆转型电容器的阻抗低于一般电容器，特性优良。使用LW逆转型电容器，即使数量少于一般电容器，也可获得同等性能，通过减少元件数量可以降低成本，缩减实装面积。</p>
<p><img alt="图7.LW逆转型电容器的外观" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f9eea9e4-bb27-46bc-9798-a23e54ebcbd0" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7.LW%E9%80%86%E8%BD%AC%E5%9E%8B%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%A4%96%E8%A7%82.png" /></p>
<p>图7.LW逆转型电容器的外观</p>
<p><img alt="图8.LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR" data-entity-type="file" data-entity-uuid="543e5c7a-bd6a-4c0a-af19-d92db32e6cba" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8.LW%E9%80%86%E8%BD%AC%E5%9E%8B%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E4%B8%8E%E9%80%9A%E7%94%A8%E5%93%81ESR.png" /></p>
<p>图8.LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR</p>
<p><strong>4.获得频率特性数据的方法</strong></p>
<p><br />
频率特性数据可通过阻抗分析仪或矢量网络分析仪获取。最近，也可在各元器件厂商的Web网站中确认。</p>
<p>图9为村田提供的设计辅助工具"SimSurfing"的图像。可通过选取型号和希望确认的项目，显示特性。还可下载SPICE网络清单或S2P数据作为模拟用数据。方便大家灵活运用到各种电子回路设计中去。</p>
<p><img alt="图9.设计辅助工具"SimSurfing"图例" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6e3a845a-e59a-4eb1-9a33-f5f97a52d8f5" height="465" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9.%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E8%BE%85%E5%8A%A9%E5%B7%A5%E5%85%B7SimSurfing%E5%9B%BE%E4%BE%8B.png" width="643" /></p>
<p>图9.设计辅助工具"SimSurfing"图例</p>
<p><a href="http://ds.murata.co.jp/software/simsurfing/simsurfing.swf?relativepath=…;至</a>SimSurfing</p>