注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。
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基础电路课程-电容
本节课主要是给大家讲解以下电容。 课程内容需要配套对应的视频来学习。
电容是每个电子产品开发都必须要用到的，是产品开发的刚需，其中贴片陶瓷电容和电解电容是最常用的电容。
今天来讲下电容，这里我只讲在我们开发产品中最常用的，节约大家时间，先讲理论再讲实际应用。
课程内容目录：
1.电容理论
2.电容选型
3.电容应用
一、电容理论
1.电容的定义
- 电容的构造:
两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器。
- 电容的定义：
也称做“电容器”（Capacitance） 是指在给定的电压差下，自由电荷的存储器。 我们可以简单粗暴的理解为：电容就是保存自由电荷的容器。
保存自由电荷能力不一样，电容的容量就不一样.
- 相关的公式: （了解）
C：电容的容量 Q: 电荷量 U: 两个电极板之间的电压
如何衡量电容的容量呢？这个就要看电容容值的定义了。
- 单位：F(法拉 简称：法)
如果带1库的电量，两级间的电压是1V，则这个电容的电容值就是1法拉。C=Q/U
2.单位换算&符号标识
单位:
在国际单位制中，电容的单位是法拉，简称法，符号是F，由于法拉这个单位太大，所以常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，
换算关系是：
1F= 103mF= 106uF = 109nF= 1012pF
原理图电容的标识符号： （C ）
3.影响容值的因素: (了解)
但是，电容的容值的大小，并不是由Q 和U 决定的。而是由电容的材质，制造工艺有关。
决定电容容值的公式: C=εrS/4πkd.
但电容的大小不是由Q（带电量）或U（电压）决定的，而是由公式C=εrS/4πkd 决定的：其中，εr是相对介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常数。
也就是说电容的容量是由制造的材料和工艺决定的
4.电容的串并联
电容的串联:
计算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn
电容的并联:
计算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn
5.电容种类
按照封装分类：插件电容 和贴片电容
目前的电子产品，使用贴片封装的居多，生产成本低
按照是否有极性： 有极性电容 和无极性电容
有极性的电容:
按照材质来划分: 陶瓷电容、铝电解电容、钽电容、薄膜电容等。
以下的图片，我们大概过一眼就可以，在实际工作中，最常用的就是陶瓷贴片电容，铝电解电容，和钽电容，其他电容在一些相对比较特殊的产品上用.
电容图片展示:
在实际工作中，最常用的是 陶瓷贴片电容，铝电解电容，和钽电容。
6.不同种类电容的优缺点：
这里重点介绍以下 陶瓷贴片电容、铝电解电容 和钽电容的优缺点。
| 种类 | 陶瓷电容
（无极性） |
铝电解电容
（有极性） |
钽电容
（有极性） |
| 容值范围 | 0.5pF-10uF | 0.1uF-10000uF | 0.1uF-1000uF |
| 优点 | 1. 无极性
2. 温度，电容之范围宽 3. 体积小，适合产品小型化 4. 成本低，电压范围大 |
1. 电容容值大 >0.1uF
2. 耐压好 3. 价格相对比较低廉 |
1. 容值大
2. 溶质稳定 3. 受温度影响小 |
| 缺点 | 1. 容值较小 一般使用10uF以下的
2. 容易碎 |
1. 体积大
2. 温度特性差 |
1. 价格昂贵
2. 耐压值低 |
| 主要用途 | 1. 电源滤波
2. 振荡电路 3. 噪音旁路 |
1. 电源滤波
2. 储能 |
1. 电源滤波
2. 储能 |
7.电容的特性:
电容的本质：是一个充放电的过程。（通过视频来讲解充放电过程）
电容的特性1：通交流 阻直流
电容的特性2：小电容：通高频 阻低频 大电容：通低频 阻高频
(我们通过仿真软件来验证一下)
电容工作在自谐振频率的时候，对该频率的交流信号的滤波性能最好。
8.电容的参数
①电容的容量
陶瓷电容: 陶瓷电容我们一般用的都是贴片的。电容上没有标注容值，容值只能通过包装获知。
铝电解电容和 钽电容的容值上面有标注。
具体的我们后面通过规格书进一步讲解
容值是电容最重要的一个参数。如果我们拿到一个电容如何获取电容的值呢？
- 有些万用表支持测量电容的容值，可以用万用表测试。测试的结果相对比粗糙，尤其是小电容，
我们实际开发中，用的比较少，如果感觉电容容值不对的话，直接换新的。
- 用数字电桥精准测试。
②电容的封装
陶瓷贴片电容： 0805 0603 0402 …. 和贴片的电阻的封装一样
铝电解电容: 容值越大 体积越大。
③额定电压:
额定电压: 电容工作中理论上可以承受的最大的电压值
在电路设计中，我们选择的电容的额定电压值一定要大于工作电压。
④误差
误差：因为材质和制作工艺等因素，实际的电容的容值和标称的误差值
因为材质和制造工艺的原因，常用的电容误差一般在5%-20%之间。
⑤温度系数:
电容器工作时由于温度的改变，其表现出的动态电容量与标注的静态电容量之间会有一定的差异，于是规定，温度每升高1℃，所表现出的动态电容量与标注的静态电容量之间的允许误差称为该电容器的温度系数。
显然，温度系数是反映电容稳定性的一个参数，此值越小，电容器的稳定性越好。
⑥ESR(等效电阻)和ESL(等效电感)
这两个也是最容易被别人忽略的重要参数，一般ESL很多电容数据手册都直接忽略了，所以我们重点讲下ESR。
理想电容：
实际电容：
由于电容生产工艺的问题，电容的绝缘介质会有一定的损耗，相当于实际情况是电容串了个电阻和电感。这个电容和电感，我们叫做等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。
而这两个造成电容在使用时的发热以及在高频下不能快速的充放电，所以在使用电容时需要注意电容的频率与阻抗曲线。
⑦频率特性:
曲线最低点表示谐振点频率，此时阻抗最小。
相当于在2MHz左右的频率，电容阻抗(ESR)最小。
不同容量的电容，它们的esr是不一样的，也就是谐振点频率不一样。
举例：以下是一款4G模块电源VCC 对滤波电容ESR的要求。
⑧漏电流:
这个参数在做超低功耗产品的时候，可能需要注意，电容因为长时间放置，可能会导致电容的绝缘介质发生变化，而导致电容的内阻变小，造成电容的漏电流变大（主要针对的是电解电容会出现这种情况）
9.规格书
规格书1-陶瓷贴片电容
规格书2-电解电容
规格书3-钽电容
10.安规电容
安规电容是指电容器失效后，不会导致电击，不会危及人身安全的安全电容器。
安规电容通常只用于220V电源滤波器里，起到电源滤波抗干扰的作用。
出于安全和EMC(电磁辐射)考虑，如果产品是220V供电，建议在电源入口处加上安规电容。
安规电容分为Y电容和X电容。
安规电容为何安全？
1).材料不容易爆炸。
2).不会触电，安规电容耐压大，容量非常小，Y电容一般是pf级别，X电容一般是uf级别，所以电源断电后，电很快就会放光了。
3).材料是阻燃的。
安规电容的作用？
简单来说就是抑制来自220V电网的干扰和产品本身对电网的干扰，还有过滤高压脉冲(一般kv级别)的，比如说雷击。
接线方式：
X电容一般是接L线和N线，如上图C1。
Y电容一般是成对出现的，如上图C2和C7，C2一端接L线，另一端接地线，C7一端接N线，另一端接地线。
二、电容选型
- 选择什么样的电容？
- 电容的容值如何确定？
1. 容值大小（最常用的电容）
陶瓷贴片电容：0.5pf – 10uF
铝电解电容： 0.1uF – 10mF
钽电容： 0.1uF – 1mF
以上的参数，我们可以通过 电容的数据手册获取。
按照以上的参数可以得出以下结论：选择电容的容值的大小就基本上决定了电容的类型。
电路中的电容大小值如何确定?
- 按照芯片提供的参考电路选择
- 按照经验取值
2. 安装方式：
陶瓷电容、铝电解电容、钽电容 都有不同的封装。 最明显的区别，插件和贴片。
插件封装：价格便宜，生产成本高，早期的电子产品使用的比较多，目前大多数都选择贴片的
贴片封装: 价格较贵，生产成本低。
目前插件的陶瓷电容和钽电容 基本上很少见，因为生产不方便，也不宜购买。
铝电解电容 插件的和贴片的都比较常见。贴片的比插件的价格要贵很多. 不过因为贴片电解电容生产出来的产品，产品的一致性 和工艺更好，所以插件的也在逐步的被淘汰.
3. 电容的耐压值
耐压越高，单价成本越高，建议选择合适的耐压值即可。
陶瓷贴片电容的耐压值，都比较高，主要是铝电解电容和钽电容，要特别注意，建议在设计的时候，选择额定电压 大于需要2倍的电容。
4. 成本
前几年，电容的价格飞涨，翻了好几番，所以对电子产品生产厂家来说，来说，物料成本就不得不考虑的了。
容值越小，成本越低：电路实际的时候，容值尽可能选择的小一点
种类越少，成本越低：电容的种类越小，购买成本越小
通用性越强，成本越小：越通用的电容，价格越便宜
封装越小，价格越低：0402 比0603 便宜；0603比0805便宜
耐压/精度：耐压越高，价格越贵，精度越高，价格越贵
5. 工作环境温度
在户外使用的，尤其是北方，昼夜温差比较大的地方，在设计产品的时候要注意环境温度。
陶瓷贴片电容和 钽电容 的环境温度影响不是很大。 铝电解电容因为电解质是液体的，对温度比较敏感，在极寒，极热的工作环境下，容易损坏，建议使用钽电容。 汽车电子，医疗电子、军工产品、大电容一般都选择钽电容。
6. 其他因素
产品结构：
举例：台式电脑的主板上面，贴片电解电容比较多
较早的电脑主板
台式机 电脑主板
笔记本电脑。
生产工艺：
插件的基本都需要人工来操作，例如插件电解电容，人为操作，就有可能出错，焊接出来的一致性也较差。
如果在成本可接受的范围内，能用贴片，尽可能选择贴片。 选择插件，如果因为生产造成爆机，造成的损失，远比物料成本高。
三、产品应用(重点)
下面我们通过对7个实际应用电路的分析，来进一步了解电容在实际产品电路中的工作原理和作用，并通过实际应用，对电容的相关特性，做一个进一步的理解和掌握。
1. 单片机复位电路
NRST接的是单片机复位引脚，低电平复位。
VCC没有供电前，C20两端是没有电压的;
当VCC 3.3V上电时，根据电容两端的电压不能突变的特性，上电瞬间,C20两端的电压是0V；
电压VCC3.3V经过R19给C20充电,C20两端的电压逐渐上升，充满电后NRST两端的电压为3.3V，此时，C20相当于断路，NRST为高电平。
有2个问题，我们可以简单的思考一下：
- C20固定，如果R19的阻值越小，C20的充电时间越快？越慢？
C20的容值我们用100uF的测试。100nF容值太小，测试效果不明显。
阻值越小，充电时间越短
- R19固定，如果C20的容值越小，C20的充电时间越快？越慢？
C20的容值越小，充电时间越短
我们可以先思考一下，然后再通过实验来验证。
2. BUCK开关电源(电容滤波)
C1：电源前端滤波电容，电容主要用来储能和滤波，防止输出3.3V负载过大干扰到前级输入电压5V，或防止输入的5V电压的纹波过大，影响电源芯片U2的工作
C2：电源后端滤波电容，电容主要用来储能和滤波，C2和L1组成了LC滤波电路，将U2输出的PWM信号通过滤波，输出一个稳定的3.3V的电源，同时也防止3.3v负载过大造成纹波
我通过示波器测量一下C2 去掉 和焊接上的 3.3V的电压波形
测试条件：为了防止电路板3.3V负载电路的其它电容对起到储能和滤波，我割断了电路板3.3V的所有负载，纯粹看Buck电源加电容和不加电容的效果。
VCC 3.3V的波形如下：
如果把C2电容焊接上，3.3V就是稳定的直线。
所以C2在这里就是储能和滤波的作用。
C3电容是贴片陶瓷电容，一般是用来滤掉高频纹波或高频噪音的。
电源主要的干扰就是纹波和高频噪声。
纹波是由电容充放电、开关电源的PWM调节等所产生的一种固定频率波动。
常见的三种滤波电路:
电源滤波电容的选择方法:
- 电容对地滤波，大电容 和小电容并联，以获得更大的滤波频段。
- 大电容滤低频波，小电容滤高频波
- 电源滤波，滤波电容布局尽可能靠近电源芯片脚
3. 天线信号匹配:
4G模块（或其他射频天线设计电路）的天线，为了获取更好的射频的性能，一般都采用π 型匹配电路。
如果有干扰信号的，则需要通过C1 和C2 来匹配。计算公式如下：
其中：C为需要匹配电容（C1+C2）的电容值。单位:F
Ro是输入阻抗（射频电路的电路阻抗一般都为50Ω）π为圆周率；fc为截止频率，单位是Hz。
这个公式怎么使用呢？ 如果4G模块天线采集到杂波，指导杂波的频率后，通过以上的公式计算出C的值。
4. 稳定电容：
在震荡电路中，起稳定震荡频率的作用
C6和C11电容一般取10pf-50pf，这块无需深入，一般根据单片机数据手册或硬件参考电路取值。
5. 耦合作用:
耦合电容：将交流信号的能量从一个电路传递到另一个电路的电容。
这里的C2 和C3的作用是信号的耦合。
C2将输入的耦合到电路中， C3是将放大后的信号，分离出来。
6. 音频信号处理电路：
在音频信号处理电路中，电容器被用来滤除低频噪声，以改善音频质量。
时间常数电路：在时间常数电路中，电容器与电阻器组成的环路用来测量信号的时间常数。
7. 储能&滤波作用
电容的储能作用，
四、习题：
- 参考以下的格式，确定电容的容值和耐压值
电容名称定义格式如上，读取以下电容的封装，容值，精度。
- 贴片电容可以代替铝电解电容吗？
- 在温差比较大的环境下的工作的电子产品，适合选择电解电容吗
- 在Buck电路中，通常选择铝电解电容和贴片电容使用的原理是什么？
- 在实际电子产品开发中，电容如何选型？要考虑那些因素？
1. 参考以下的格式，确定电容的容值和耐压值
电容名称定义格式如上，读取以下电容的封装，容值，精度。
电容的容值：22pf 耐压值： 50V 封装: 0603 精度： 5%
2. 贴片电容可以代替铝电解电容吗？
贴片电容和铝电解电容在实际产品开发中，是相互配合使用的。 贴片电容的容值相对比较偏小，铝电解电容相对容值比较偏大，精度比较差。 所以两者更多的是一种互补关系。
3. 在温差比较大的环境下的工作的电子产品，适合选择电解电容吗？
不适合。 电解电容的电解质是液态的，在高温，或低温下，电解质容易发生变化，导致电解电容的电容特性下降，甚至容易损坏。
4. 在Buck电路中，通常选择铝电解电容和贴片电容使用的原理是什么？
电源滤波电容的选择方法:
- 电容对地滤波，大电容 和小电容并联，以获得更大的滤波频段。
- 大电容滤低频波，小电容滤高频波
- 电源滤波，滤波电容布局尽可能靠近电源芯片脚
5. 在实际电子产品开发中，电容如何选型？要考虑那些因素？
如何选型：
- 根据芯片数据手册参考电路设计选型、取值。
- 按照经验选型、取值。
- 按照工作环境
- 计算取值（用的特别少）
需要考虑的因素：
- 产品的设计成本要求
- 产品的安装外壳结构
- 工作环境
……