电容的谐振频率(Fs)和等效串联电阻ESR.docx

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1、电容的谐振频率(FS)和等效串联电阻ESR目录1.电容在电路中的作用1?谐振频率的定义4?电容器的谐振频率特性7?不同材质电容器的频率特性9?谐振频率的测试10?等效串联电阻定义12?等效串联电阻的影响因素13?典型规格的等效串联电阻131.电容在电路中的作用电容作用：电容在模拟信号电路中也同样存在阻力，这种阻力叫做容抗(XC)值的大小Xc=l(2fc,它的大小跟电容值和频率成反比，用在模拟电路中, 主要耦合信号，平滑电平，微分,积分,移相,启动等，用在直流供电电路中主要 是滤波,旁路储能.振荡等。电容的谐振频率(FR)和容抗(ZC)：当线路中的频率很高时，电容不仅是 电容性质，还存在等效串联

2、电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)。2c谐振频率和容抗计算公式电容工作在谐振频率以上呈感性，在谐振频率以下呈容性，在谐振频率时 容抗最低，所以在设计时就要针对电路性质选择谐振频率与电路相近的电容， 在一些频率变化大的电路中，通常选择谐振频率低的大电容和谐振频率高的小 电容混合使用。?电容在耦合电路中作用:电容耦合电路电路中Cl是输入耦合，C2是输出耦合，耦合电容的大小及谐振频率根据 电路的信号频率来选择，如高频O.OOl-O.lUF,音频1-22UF,当然这只是一参 考值，主要根据实际调试效果来选择合适的电容值。?电容在开关电源电路中的作用和选型：开关电源电路图中Cl是大容量高耐压电解电容

3、如(IooUF/400V),由于这个位置工作频 率低(50/60HZ),电容的作用是为了获得一个相对平滑电压，所以对电容的要求 能满足耐压.温度和容量足够大就可以了，而图中C52.C54就要求更严格了，由于开关电源(也包括DC/DC电源)大多工作频率在 100KHZ-500KHZ的方波或矩形波状态,其中含有大量的高次谐波(频率从几百K到数十MHZ), 一般电容在这种情况下失去了吸收高次谐波的能力而呈感性，在 选择时一定要考虑电容的频率特性要求低ESR和低ESLo?电容在RC无源滤波电路中的应用：低通滤波电路高通滤波电跣RC滤波电路在低通滤波电路中的作用是将高频滤掉让低频信号加在负载端，根据容抗

4、 Xc=l(2fc,频率越高阻值越小将高频信号滤掉。而在高通滤波电路中电容相 当高频耦合电容，频率越高阻值越小。不让低频信号通过让高频信号加在负载 端。?电容在RC串联滤波电路的应用：RC串联电路在RC串联电路中总阻抗Z=R+Xc=l(2fc, Z(总阻抗)的大小跟频率和电 容值有关，在高频RC电路中有一个转折频率FO=I/(2RC),当信号频率大于转 折频率时，容抗值就基本为0 了，电路总阻抗是一个稳定值R,即Z=R,当信 号频率低于转折频率时总阻抗(Z=R+Xc)是随频率变化的。?电容在RC并联滤波电路的应用：2SU3735 (2RC并联滤波电路在RC并联电路中总阻抗lZ=lR+lXc,

5、Z（总阻抗）的大小跟频率和电容值 有关，在RC并联滤波电路中也有一个转折频率Fo=I/（2RC）,当信号最低频率 大于转折频率时，容抗值就基本为0 了，电容相当短路，当信号频率远远低于 转折频率时电容可以忽略，总阻抗Z=R,当信号频率从稍低于转折频率逐渐向 远远低于转折频率过渡，这时的总阻抗（1Z=1R+1XC）也是逐渐变化的。S）电容的井联?电容的并联和串联：QQCeoIlIP(a)电容的串联电容串联：1/C总=1C1+1C2+1C 电容并联：C总=C1+C2+C3谐振频率的定义了解电容器的频率特性，可对电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进 行判断，是设计时不可或缺的重要参数。电容器的等效

6、电路可以简化成由等效 电感（ESL）、理想电容（C）和等效串联电阻（ESR）构成的电路，如下图示:在含有电容和电感的电路中，在一定条件下，出现在某个很小的时间段内: 电容的电压逐渐升高，而电流却逐渐减少，与此同时电感的电流却逐渐增加， 电感的电压却逐渐降低。而在另一个很小的时间段内：电容的电压逐渐降低， 而电流却逐渐增加，与此同时电感的电流却逐渐减少，电感的电压却逐渐升高。 电压的增加可以达到一个正的最大值，电压的降低也可达到一个负的最大值， 同样电流的方向在这个过程中也会发生正负方向的变化，此时我们称为电路发 生振荡。电路振荡现象可能逐渐消失，也可能持续不变地维持着，当振荡持续 维持时，我们

7、称之为等幅振荡，也称为谐振。谐振分为串联谐振和并联谐振，在电阻、电感和电容的串联电路中，出现 电路的端电压和电路总电流同相位的现象，叫做串联谐振，串联谐振电路呈纯 电阻性，端电压和总电流同相，此时阻抗最小，电流最大，在电感和电容上可 能产生比电源电压大很多倍的高电压，因此串联谐振也称电压谐振。在电感线 圈与电容器并联的电路中，出现并联电路的端电压与电路总电流同相位的现象, 叫做并联谐振，并联谐振电路总阻抗最大，因而电路总电流变得最小，但对每 一支路而言，其电流都可能比总电流大得多，因此并联谐振又称电流谐振。I1IVR L* cT图1串联谐振电路图2串联谐振电路谐振时间电容或电感两端电压变化一个

8、周期的时间称为谐振周期，谐振周 期的倒数称为谐振频率，它与电容C和电感L的参数有关，如下公式:Fs =式中：Fs：谐振频率，单位HZLs：等效串联电感，单位HC：电容容量，单位F容值大小和ESL值的变化都会影响电容器的谐振频率，在工作频率变化范 围很大的环境中，可以同时考虑一些谐振频率较小的大电容与谐振频率较大的 小电容混合使用。图3容值和ESL的变化对电容器频率特性的影响?.电容器的谐振频率特性阻抗是在具有电阻、电感、电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作 用。假设角频率为,电容器的静电容量为C,理想状态见下图：C-IHo图4理想电容器理想状态下电容器的阻抗Z可用以下公式表示：1Z=jC由

9、以上公式可看出，阻抗大小IZI如下图所示，与频率呈反比趋势减少。由 于理想电容器中无损耗，故等效串联电阻(ESR)为零。频率Hzf ；匚图5理想电容器的频率特性但实际电容器中除有容量成分C外，还有因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)。电容等效阻抗值公式如下：Z - ESR + Xc + XL = ESR + j cdL =Xc * D + j (j - |XC| 7 I 1 /r . + j I OOL IC QC)L-式中XC表示电容的容抗，XL表示电容的感抗，ESR表示电容器的阻抗，C 表示电容量，L表示电感和D表示损耗因子，式中负载是电阻、电感的感抗、

10、 电容的容抗三种类型的复物，复合后统称“阻抗，如果(wL-l (wC) ) 0, 称为“感性负载，反之，如果(wL-l (wC) ) 0,称为“容性负载。电容阻抗值IZl的计算公式如下： ESRx+(Xl .Xc)2因此，Z的频率特性如下图所示呈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6电容器的ZESR频率特性电容器的ZESR频率特性变化趋势：低频率范围：低频率范围的IZl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IZl将受寄生电感或电极 的比电阻等产生的ESR影响

11、，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IZI=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。高频率范围：共振点以上的高频率范围中的IZl的特性由寄生电感(L)决定。 高频范围的IZl与频率成正比趋势增加。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。?.不同材质电容器的频率

12、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。下图表示静电容量IOuF各种电容器的IZl及ESR的频率特性。除薄膜电容 器以外，全是SMD型电容器。图7各种电容器的ZESR频率特性上图所示电容器的静电容量值均为IOuF,因此频率不足IkHz的容量范围 IZl均为同等值。但IkHZ以上时，铝电解电容器或铜电解电容器的IZI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铜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，

13、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IZl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。?.谐振频率的测试了解电容器的频率特性，可对电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进 行判断，是设计时不可或缺的重要参数。电容器的等效电路可以简化成由等效 电感（ESL）、理想电容（C）和等效串联电阻（ESR）构成的电路，如下图示:图 8 Keysight E4991A:lMHz3GHz图 9 Keysight 429

14、4A:40Hz110MHz选择合适的测试设备，频率在设备允许的范围内平滑移动，按设备提供的 相应程序测试产品的阻抗IZl随频率的变化情况，随着频率的变化，当阻抗IZl出 现第一个最小值时对应的频率值即为被测样品的串联谐振频率值（Fs）,例：下图中markerl所示频率即为被测样品的串联谐振频率。以CC41M型多层片式瓷介电容器在不同频率下的阻抗为例，用阻抗分析仪 测试其阻抗，根据瓷介电容器IZkf曲线图可总结以下规律：同种介质材料，相同容值的电容器，尺寸越小谐振频率相对越高;图 10 CC41M-0603-BC-250V-101J图 11 CC41M-0805-BC-250V-101J同种介质

15、材料，相同尺寸的电容器，容值越大谐振频率相对越低。图 12 CC41M-0805-BC-250V-101JSAvg OFFOSC 100.00 BVSTART 1 KHs*电子1： STOP T. 1 GHZ图 13 CC41M-0805-BC-250V-331J?.等效串联电阻定义ESR Equivalent Series Resistance的缩写，即等效串联电阻。理想的电 容自身不会有任何能量损失，但实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的 绝缘介质有损耗。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起， 所以就称为“等效串联电阻电容器内所有的损耗的综合叫等效串联电阻（ESR）,其由介质损耗（RSd） 和金属损耗（RSm）组成。ESR=Rsd+Rsm介质损耗（RSd）由介质材料的特性决定。每种介质材料都有固有的损耗，