电容与晶振电容的计算方式

电容电阻晶振这几兄弟在电路中经常可见，而今天我们的主角就是电容！我们经常能够见到的几种电容分别是铝电解电容，钽电容，贴片陶瓷电容。但是，由于这几种电容各自特性不同，而效力在不同的场合。下面我们来一起了解一下这些在电路中的明星他们的特点和区别，在实际电路中该如何选择。

铝电解电容

顾名思义，其主要的组成部分就是铝箔和电解液。简单的了解铝电解电容的生产工艺，即把铝箔卷成柱状，注入液态电解质，再引出正负两个端子，然后把电容的芯材密封在金属外壳里。液态电解液中存在一定比例的水，当电容上有漏电流流过的情况下，水可以被分解为氢气和氧气，氧气通过氧化反应可以与阳极形成新的氧化膜，氢气通过电容的橡胶塞排出。这样不至于损坏电容。生产工艺简单，成本低是铝电解电容的一个特点。除此之外，铝电解电容还有以下特点：

1. 由于密封壳不是完全的密封，电解液会容易干涸，因此铝电解电容的使用寿命有限。

　　2. 由于电解液中水的存在，影响了铝电解电容在高温和低温环境下的使用性能。

　　3. 工艺特性原因，铝电解电容的ESR，ESL比较难做小，因此铝电解电容的自谐振频率点通常都比较低，大致在几十KHz到几MHz范围。

　　4. 铝电解电容的容量与铝箔的尺寸正相关，容量可以做的很大，容量越大电容尺寸越大。

根据以上特性，铝电解电容被广泛应用在低频的滤波场合，特别是在几十KHz到几MHz的环境，比如电源的输出滤波，我们经常看到的都是铝电解电容的身影。在使用铝电解电容的时候，要注意电容耐压满足电路需求。另外，在其他要求不严格的情况下，容量可以尽量选择大一些，容量越大ESR越小，更容易满足电路目标阻抗的要求。在某些高温使用环境，尽量避免选择小体积小容量的铝电解电容，以免由于温度过高电解液挥发干涸造成电容失效影响到整个电路的工作。

钽电容

钽电容是另外一种使用广泛的电容，同铝电解电容一样，钽电容也是一种电解电容。其主要的工艺流程是将钽粉压制成型后烧结成多孔的实心块，经过阳极化处理形成氧化膜，然后覆上固体电解质，再覆上一层石墨及铅锡涂层，最后用树脂封装成型为固体的钽电容。钽电容具有如下特点：

　　1. 与铝电解电容不同，钽电容的电解质为固体，所以不存在电解液干涸的问题，寿命会有所提高。

　　2. 由于采用的固体电解质，其容量温度特性比较稳定，因此温度对电容容量的影响较小，高低温性能优于铝电解电容。

　　3. 钽电解电容可以做到较大容量下较小的封装，因此ESR，ESL都可以控制的比较小，其自谐振频率比铝电解电容要高。

4. 工艺上比铝电解电容复杂，成本较高。

通过比较我们可以发现，钽电容有很多铝电解电容不具备的优点，在某些滤波的使用场景钽电容可以很好的替代铝电解电容。但是有几个需要注意的点：由于钽电容的结构决定了，钽电容的耐压普遍不高，在实际电路重要注意钽电容的耐压要求，并留有一定余量。在对付电源上电瞬间大电流冲击和和大的电压瞬变方面钽电容没有铝电解电容优秀。温度对钽电容的影响很小，在实际使用中我们可以忽略温度对钽电容的影响。

晶振电容该如何计算

图中CI,C2这两个电容就叫晶振的负载电容,分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮法它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。

晶振的负载电容=[(C1*C2)/(C1+C2)]+Cic+△C

式中C1,C2为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic集成电路内部电容+△CPCB上电容经验值为3至5pf。因此晶振的数据表中规定12pF的有效负载电容要求在每个引脚XIN 与 XOUT上具有22pF 2 * 12pF = 24pF = 22pF + 2pF 寄生电容。两边电容为C1,C2,负载电容为：

Cl,Cl=cg*cd/(cg+cd)+a

就是说负载电容15pf的话两边两个接27pf的差不多了。

各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器, 或者是奇数个反相器串联。在晶振输出引脚 XO 和晶振输入引脚 XI 之间用一个电阻连接, 对于 CMOS 芯片通常是数 M 到数十M 欧之间. 很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻, 引脚外部就不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处于线性状态, 反相器就如同一个有很大增益的放大器, 以便于起振。石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间, 等效为一个并联谐振回路, 振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地, 实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点, 振荡引脚的输入和输出是反相的, 但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡。在芯片设计时, 这两个电容就已经形成了, 一般是两个的容量相等, 容量大小依工艺和版图而不同, 但终归是比较小, 不一定适合很宽的频率范围。外接时大约是数 PF 到数十 PF, 依频率和石英晶体的特性而定。需要注意的是: 这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的, 会影响振荡频率。当两个电容量相等时, 反馈系数是 0.5, 一般是可以满足振荡条件的, 但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量, 而增加输出端的值以提高反馈量。一般芯片的 Data sheet上会有说明。

最后在简单说几点注意的地方：

1.匹配电容-----负载电容是指晶振要正常震荡所需要的电容。一般外接电容是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容。一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍。这样并联起来就接近负载电容了。

2.负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容。他是一个测试条件也是一个使用条件。应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率。此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。

3.一般情况下,增大负载电容会使振荡频率下降,而减小负载电容会使振荡频率升高。

4.负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率,一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振,另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常。

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