硬件学习之滤波电容的阻抗特性

高速电路设计需要考虑高频和低频两种噪声，针对这两种噪声，应选取不同的滤波电容。“低频噪声选用大电容，高频噪声选用小电容”，这是许多工程师达成的共识。但在实际工作中，这种说法并不完全正确。本文将就这一点进行一些探讨，以便加深对电容选型的理解，不足之处还望大家指正。

首先要说明的是，电容在低频电路中，可以看做是理想器件，在但是在高速电路中，电容不能再就不再是一个简单的“纯洁的”电容了。比如在电路两端用电容C相连时，在直低速电路中，电容两端可以看做是开路状态。但在高速电路中，假定工作频率为F，则此时电容的表现的电抗值为1/（2πFC），所以在频率很高的情况下，电容C的电抗值很小，表现为短路。这也是为什么咱们常说电容有通交流阻直流的作用的原因。
等效电路：
高速电路汇总电容器件并不是纯粹的电容，而是带有电阻、电感等成分的小电路，咱们来看看电容的等效电路：

名词解释如下：
✦ ESL（等效串联电感）由电容器件的引脚电感和电容器件两级间等效电感串联而成，主要取决于封装。
✦ ESR（等效串联电阻）由电容器件的引脚电阻和电容器件两级间等效电阻构成，主要取决于电容的工作温度、工作频率以及电容本身的导线电阻等。
✦ Rleak则取决于电容器件本身特有的泄漏特性。
滤波电容的机制是为噪声等干扰提供一条低阻抗回路，在噪声频率点上，要求滤波电容的阻抗较小。

谐振频率点计算
假设工作频率为f，由等效电路分析可得，电容的阻抗为：
Z=ESR+j2 πfL+1/(j2πfC)=ESR+j[2πfL-1/(2πfC)]
由此可得，当2πfL=1/(2πfC)时，虚部为0时，此时电容的阻抗最小，为ESR，可求得f=1/(2π√LC)，这个频率即为电容的谐振频率。

电容阻抗随频率变化特性的分析
如下图所示，谐振点即为电容分量和ESL分量对阻抗效果正好抵消的频率点。

✦ 谐振点前时，电容分量起主导作用，此时电容器件的阻抗随频率的升高而逐渐减小，器件表现为电容的阻抗特性，滤波效果增强。
✦ 在谐振点上，电容器件的阻抗最小，等于ESR分量。
✦ 在谐振点后，ESL分量起主导作用，此时电容器件的阻抗随频率的升高而逐渐增大，器件表现为电感的阻抗特性，滤波效果减弱。

低阻抗频带扩展
高速设计中，噪声的干扰往往不是处在一个频率点上，而是占据一段频带。在实际工作中，准确定位电路上的每一处的噪声频带并不现实，这就要求我们要利用多种不同的电容构造一个比较宽的低阻抗频带，以尽可能的覆盖噪声频带。
如下图所示，用三种电容并联，构成一段比较宽的低阻抗频带。

电容封装封装相同但容值不同，不能扩展阻抗频带
我们知道了电容器件的阻抗—频率曲线由其电容分量和ESL分量共同决定，而ESL分量是由器件的类型和封装决定的。当两个电容的容值不同，但类型和封装都相同的话，他们的ESL也是相同的，如下图所示为0.01μ电容和1μ电容并联后的阻抗频带，由于他们的封装相同，0603封装的0.01μF电容，其阻抗频率曲线完全被0603封装的1μF电容的曲线包含，并没有起到真正的作用。

当采用0603封装的1μF电容和0402封装的0.01μF电容搭配，并联后的阻抗—频率曲线如下图所示，此时的低阻抗的频带菜得到了展宽。

应用总结

✦ 电容的阻抗—频率曲线是一种浴盆曲线，曲线的左边取决于电容分量，右边取决于ESL分量。
✦ 滤波电容并联以展宽频带，不仅要考虑电容值搭配，还需要考虑封装搭配。
✦ 多个同型号电容并联时，虽不能展宽低阻抗频带，但可以减小谐振点处的阻抗。

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