高速电路设计中电容器的等效串联阻抗(ESR)频率特性

在高速电路设计以及电源设计中,常常离不开的就一种元件器就是电容。电容的种类非常多,根据不同的功能应用以及封装大小有各种各样的分类,现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。

1.电容器的频率特性
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(1)表示。

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。

图2.理想电容器的频率特性

图2.理想电容器的频率特性

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。

图3.实际电容器

图3.实际电容器

|Z|和ESR变为图4曲线的原因如下。

图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)

图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)

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。

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。

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。

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。

ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。

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。

2.各种电容器的频率特性
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。

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。

图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性

图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性

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。

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。

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。

3.多层陶瓷电容器的频率特性
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。

(1)关于ESR

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。

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。

(2)关于ESL
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。

由此公式可得知,电容器的电极越短,越宽,越厚,则ESL越小。

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。

图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系

图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系

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。

图7.LW逆转型电容器的外观

图7.LW逆转型电容器的外观

图8.LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR

图8.LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR

4.获得频率特性数据的方法
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。
图9为村田公司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。

图9.设计辅助工具

图9.设计辅助工具"SimSurfing"图例

文章来源:信号完整性微信公众号