單片機外圍電路設計之二：電容

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電容，作為電子電路的又一基本元器件，大家也是熟悉不過的了。下面我們談談電容的一些基本應用及注意事項。但是，由于電容的應用非常廣泛，未必能面面俱到，如果有網友覺得沒有談到的地方，希望公共完善。

1概念

電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，造成電荷的累積儲存，儲存的電荷量則稱為電容。電容是電子設備中大量使用的電子元件之一，廣泛應用于隔直、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換、控制電路等方面。

電容（或稱電容量）是表現電容器容納電荷本領的物理量。

電容從物理學上講，它是一種靜態電荷存儲介質，可能電荷會永久存在，這是它的特征，它的用途較廣，它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。

在電路學里，給定電勢差，電容器儲存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標記為C。采用國際單位制，電容的單位是法拉（farad），標記為F。

電容的符號是C。

C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U

在國際單位制里，電容的單位是法拉，簡稱法，

符號是F，由于法拉這個單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關系是：

1法拉（F）= 1000毫法（mF）=1000000微法（μF）

1微法（μF）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF）。

電容與電池容量的關系：

1伏安時=1瓦時=3600焦耳

w=0.5cuu

一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏，這個電容器的電容就是1法，即：C=Q/U 但電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，即：C=εS/4πkd 。其中，ε是一個常數，S為電容極板的正對面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d（ε為極板間介質的介電常數，S為極板面積，d為極板間的距離）。

定義式：C=Q/U

電容器的電勢能計算公式：E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C

多電容器并聯計算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn

多電容器串聯計算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

三電容器串聯：C=（C1*C2*C3）/（C1*C2+C2*C3+C1*C3）

電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認為：孤立導體與無窮遠處構成電容，導體接地等效于接到無窮遠處，并與大地連接成整體。

2電容的應用

根據電容在電路中的不同位置，電容表現著不同的狀態，常見的分類如下：

??1 ?按照結構分三大類：固定電容器、可變電容器和微調電容器；

??2 ?按電解質分類有：有機介質電容器、無機介質電容器、電解電容器和空氣介質電容器等；

??3?按用途分有：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器；

??4?頻旁路：陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容器；

??5?低頻旁路：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器；

??6 ?濾波：鋁電解電容器、紙介電容器、復合紙介電容器、液體鉭電容器；

??7?調諧：陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器；

??8 ?高頻耦合：陶瓷電容器、云母電容器、聚苯乙烯電容器；

??9?低耦合：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體鉭電容器；

??10?小型電容：金屬化紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、聚苯乙烯電 容器、固體鉭電容器、玻璃釉電容器、金屬化滌綸電容器、聚丙烯電容器、云母電容器。

電容作用

*電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用所延伸出來的許多電路現象，使得電容器有著種種不同的用途，例如：在電動馬達中，用它來產生相移；在照相閃光燈中，用它來產生高能量的瞬間放電等等。而在電子電路中，電容器不同性質的用途尤多，這許多不同的用途，雖然也有截然不同之處，但因其作用均來自充電與放電。下面是一些電容的作用列表：

耦合電容：用在耦合電路中的電容稱為耦合電容，在阻容耦合放大器和其他電容耦合電路中大量使用這種電容電路，起隔直流通交流作用。

濾波電容：用在濾波電路中的電容器稱為濾波電容，在電源濾波和各種濾波器電路中使用這種電容電路，濾波電容將一定頻段內的信號從總信號中去除。

退耦電容：用在退耦電路中的電容器稱為退耦電容，在多級放大器的直流電壓供給電路中使用這種電容電路，退耦電容消除每級放大器之間的有害低頻交連。

高頻消振電容：用在高頻消振電路中的電容稱為高頻消振電容，在音頻負反饋放大器中，為了消振可能出現的高頻自激，采用這種電容電路，以消除放大器可能出現的高頻嘯叫。

諧振電容：用在LC諧振電路中的電容器稱為諧振電容，LC并聯和串聯諧振電路中都需這種電容電路。

旁路電容：用在旁路電路中的電容器稱為旁路電容，電路中如果需要從信號中去掉某一頻段的信號，可以使用旁路電容電路，根據所去掉信號頻率不同，有全頻域（所有交流信號）旁路電容電路和高頻旁路電容電路。

中和電容：用在中和電路中的電容器稱為中和電容。在收音機高頻和中頻放大器，電視機高頻放大器中，采用這種中和電容電路，以消除自激。

定時電容：用在定時電路中的電容器稱為定時電容。在需要通過電容充電、放電進行時間控制的電路中使用定時電容電路，電容起控制時間常數大小的作用。

積分電容：用在積分電路中的電容器稱為積分電容。在電勢場掃描的同步分離電路中，采用這種積分電容電路，可以從場復合同步信號中取出場同步信號。

微分電容：用在微分電路中的電容器稱為微分電容。在觸發器電路中為了得到尖頂觸發信號，采用這種微分電容電路，以從各類（主要是矩形脈沖）信號中得到尖頂脈沖觸發信號。

補償電容：用在補償電路中的電容器稱為補償電容，在卡座的低音補償電路中，使用這種低頻補償電容電路，以提升放音信號中的低頻信號，此外，還有高頻補償電容電路。

自舉電容：用在自舉電路中的電容器稱為自舉電容，常用的OTL功率放大器輸出級電路采用這種自舉電容電路，以通過正反饋的方式少量提升信號的正半周幅度。

分頻電容：在分頻電路中的電容器稱為分頻電容，在音箱的揚聲器分頻電路中，使用分頻電容電路，以使高頻揚聲器工作在高頻段，中頻揚聲器工作在中頻段，低頻揚聲器工作在低頻段。

負載電容：是指與石英晶體諧振器一起決定負載諧振頻率的有效外界電容。負載電容常用的標準值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。負載電容可以根據具體情況作適當的調整，通過調整一般可以將諧振器的工作頻率調到標稱值。

調諧電容：連接在諧振電路的振蕩線圈兩端，起到選擇振蕩頻率的作用。

襯墊電容：與諧振電路主電容串聯的輔助性電容，調整它可使振蕩信號頻率范圍變小，并能顯著地提高低頻端的振蕩頻率。

中和電容：并接在三極管放大器的基極與發射極之間，構成負反饋網絡，以抑制三極管極間電容造成的自激振蕩。

穩頻電容：在振蕩電路中，起穩定振蕩頻率的作用。

定時電容：在RC時間常數電路中與電阻R串聯，共同決定充放電時間長短的電容。

加速電容：接在振蕩器反饋電路中，使正反饋過程加速，提高振蕩信號的幅度。

縮短電容：在UHF高頻頭電路中，為了縮短振蕩電感器長度而串聯的電容。

克拉波電容：在電容三點式振蕩電路中，與電感振蕩線圈串聯的電容，起到消除晶體管結電容對頻率穩定性影響的作用。

錫拉電容：在電容三點式振蕩電路中，與電感振蕩線圈兩端并聯的電容，起到消除晶體管結電容的影響，使振蕩器在高頻端容易起振。

穩幅電容：在鑒頻器中，用于穩定輸出信號的幅度。

預加重電容：為了避免音頻調制信號在處理過程中造成對分頻量衰減和丟失，而設置的RC高頻分量提升網絡電容。

去加重電容：為了恢復原伴音信號，要求對音頻信號中經預加重所提升的高頻分量和噪聲一起衰減掉，設置RC在網絡中的電容。

移相電容：用于改變交流信號相位的電容。

反饋電容：跨接于放大器的輸入與輸出端之間，使輸出信號回輸到輸入端的電容。

降壓限流電容：串聯在交流回路中，利用電容對交流電的容抗特性，對交流電進行限流，從而構成分壓電路。

逆程電容：用于行掃描輸出電路，并接在行輸出管的集電極與發射極之間，以產生高壓行掃描鋸齒波逆程脈沖，其耐壓一般在1500伏以上。

S校正電容：串接在偏轉線圈回路中，用于校正顯像管邊緣的延伸線性失真。

自舉升壓電容：利用電容器的充、放電儲能特性提升電路某點的電位，使該點電位達到供電端電壓值的2倍。

消亮點電容：設置在視放電路中，用于關機時消除顯像管上殘余亮點的電容。

軟啟動電容：一般接在開關電源的開關管基極上，防止在開啟電源時，過大的浪涌電流或過高的峰值電壓加到開關管基極上，導致開關管損壞。

啟動電容：串接在單相電動機的副繞組上，為電動機提供啟動移相交流電壓，在電動機正常運轉后與副繞組斷開。

運轉電容：與單相電動機的副繞組串聯，為電動機副繞組提供移相交流電流。在電動機正常運行時，與副繞組保持串接。

3去耦電容

電容的應用很廣泛，其中最為常見的就是去耦電容。該一般應用在電源的旁邊，作為是為了降低電源對地的交流阻抗（也稱為旁路電容）。在沒有這個電容時，電路的交流特性變得很奇特，嚴重時電路產生振蕩。為此，單片機及其他外圍器件的每一個電源輸入腳都應該加上一個旁路電容。

電容的阻抗為1/(2π*f*C)，頻率越高，阻抗應該越小。在結構上，小容量的電容器在高的頻率處，而大容量的電容器則在較低的頻率處，電容的阻抗變得最低。因此，在電源上并聯一個小容量電容和一個大容量電容是很有必要的，這樣在很寬的頻率范圍降低電源對地的阻抗。

小容量的電容器是在高頻情況下降低阻抗的，所以如果不配置在電路附近，則電容器的引線增長，由于引線本身的阻抗，電源的阻抗不能降低。使用在使用小電容時，一定將盡量靠近器件的電源輸入腳，否則就算添加了這個電容也沒有任何意義。大容量電容器由于其低頻特性，在布局時可以適當離器件遠些也沒有問題。在低頻電路上即使沒有小電容C1，電路也能正常工作。但是在高頻電路中，比起大電容C2來說，C1起著更為重要的作用。

通常小容量的電容器是0.01~0.1uF的陶瓷電容器（薄膜電容器為NG），大容量的電容器是1~100uF的鋁電解電容。在實際應用中，小容量電容器常取104電容，大容量電容器常取10uF電容。

從習慣上來說，旁路電容也有大小兩個電容，形成兩條通路，也保證電路的可靠性。

電源是使電路進行工作的基礎，因此，旁路電容可以認為是電路工作的“保險金”。在電路圖中，一定要添加旁路電容，所以，從一個人的對旁路電容的應用，特別是布局就可以看出，其是否是高手了。

4耦合電容

耦合電容，又稱電場耦合或靜電耦合，是由于分布電容的存在而產生的一種耦合方式。耦合電容器是使得強電和弱電兩個系統通過電容器耦合并隔離，提供高頻信號通路，阻止工頻電流進入弱電系統，保證人身安全。帶有電壓抽取裝置的耦合電容器除以上作用外，還可抽取工頻電壓供保護及重合閘使用，起到電壓互感器的作用。

電容耦合的作用是將交流信號從前一級傳到下一級。耦合的方法還有直接耦合和變壓器耦合的方法。直接耦合效率最高，信號又不失真，但是，前后兩級工作點的調整比較復雜，相互牽連。為了使后一級的工作點不受前一級的影響，就需要在直流方面把前一級和后一級分開，同時，又能使交流信號從前一級順利的傳遞到后一級，同時能完成這一任務的方法就是采用電容傳輸或者變壓器傳輸來實現。他們都能傳遞交流信號和隔斷直流，使前后級的工作點互不牽連。但不同的是，用電容傳輸時，信號的相位要延遲一些，用變壓器傳輸時，信號的高頻成分要損失一些。一般情況下，小信號傳輸時，常用電容作為耦合元件，大信號或者強信號傳輸時，常用變壓器作為耦合元件。

耦合電容利用了電容最為主要的一個特性：隔直傳交。通過這一特性，可以很好的把直流電路與交流電路進行耦合，以保障其相互協調工作。對于單片機外圍電路來說，使用比較多的耦合電容是，單片機需要與交流信號進行通信的地方，例如：ADC和DAC。

在AD于DA電路上，我們需要把數字信號和模擬信號進行相互轉換，為保障數字喜歡與模擬喜歡的互不干涉，我們往往需要在單片機的輸入端或輸出端串聯一個電容，對電路進行耦合。

由于耦合電容和負載R1直接形成了高通濾波器，會因為輸出端接不同輸出電路的輸入阻抗，電容應該進行相應的變化。為此，預先考慮接什么樣的負載是至關重要的。

5起振電容

用于振蕩回路中，與電感或電阻配合，決定振蕩頻率（時間）的電容稱之為振蕩電容。

查了數據手冊得知實際頻率和標稱頻率之間的關系：

Fx = F0(1+C1/(C0+CL))^(1/2);

而 CL = Cg*Cd/(Cg+Cd)+Cs;其中Cs為雜散電容，Cg和Cd為我們外部加的兩個電容，通常大家取值相等，它們對串聯起來加上雜散電容即為晶振的負載電容CL.

具體公式不用細想，我們可以從中得知負載電容的減小可以使實際頻率Fx變大，

我們可以改變的只有Cg和Cd，通過初步的計算發現CL改變1pF,Fx可以改變幾百Hz。

原有電路使用的是33pF的兩個電容，則并聯起來是16.5pF，我們的貼片電容只有27pF,33pF，39pF,所以我們選用了27pF和39pF并聯，則電容為15.95pF。電容焊好后，測量比原來大了200多赫茲，落在了設計范圍內。

結論：晶振電路上的兩個電容可以不相等，通過微調電容的值可以微調晶振的振蕩頻率，不過如果你測了幾片晶振，頻率有大有小，而且偏移較大，那么這個晶振就是不合格的。

對于這電容來說，大家應該再熟悉不過了，基本上，沒有一個帶有微處理器的電路都至少有一個帶有起振電容的電路。雖然，大多是情況下，我們都是按照經驗選擇這兩個電容。實際上，這樣不科學，有的時候晶振并不會工作。所以，選擇合適是起振電容還是很有必要的。實際上，不同的晶振，起需要的起振電容是不同的，在購買晶振時應該選擇合適的晶振，一般來說在晶振的數據手冊上也提供了選擇起振電容的依據。

不管怎么說，一般來說，我們還是可以根據經驗是有電容：

在單片機的主時鐘輸入電路中，一般可以選擇22pF左右的起振電容，而在RTC時鐘中選擇6pF的起振電容，是沒有問題的。當然，如果對時鐘的要求比較嚴格時，還是建議參考晶振數據手冊，選擇電容。

6復位電容

如圖所示是電容復位電路。Al是CPU集成電路,①腳是集成電路Al的復位引腳,復位引腳一般用RESET表示,①腳內電路和外電路中的元件構成復位電路,Cl是復位電容,Sl是手動復位開關。這一復位電路的工作原理:I集成電路Al的①腳內電路有一個斯密特觸發器和一個提拉電阻R1,它一端接在直流電壓+5V上,另一端通過Al的①腳與外電路中的電容C1相連。

電路的電源開關接通后,+5V直流電壓通過電阻R1對電容C1充電,這樣在電源接通瞬間電容Cl兩端沒有電壓(因為電容兩端的電壓不能突變),隨著對電容Cl的充電,集成電路Al的①腳上的電壓開始升高,這樣可在Al的①腳上產生一個時間足夠長的復位脈沖,時間常數一般為0.2s.

隨著+5V直流電壓的充電,Al的①腳上的電壓達到了一定值,集成電路Al內部所有電路均可建立起初始狀態,復位工作完成,CPU進入初始的正常工作狀態。這一復位電路的目的:使集成電路Al的復位引腳①腳上直流電壓的建立滯后于集成電路Al的+5V直流工作電壓規定的時間,如圖5-69所示的電壓波形可以說明這一問題。

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本文純屬學習記錄，摘自張飛實戰電子，大家可以去張飛實戰電子學習提高，一起加油！！！！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的单片机外围电路设计之二：电容的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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