电容器的基本性质及在电路中的作用

电容器的两个基本性能：

电容器的充放电原理，其实是展示了电容的第一个基本功能：储存电荷（energy storing）。电容器的第二个基本功能是阻绝直流（DC current blocking）和耦合交流（coupling），即所谓的“阻直通交”。这个现象可以形象地理解为电容器的两极正反交互反复充电，也可以看作交流电在绝缘介质中的往复流动。电容器在电路中的其他作用无非是这两个基本功能的延伸而已，比如去耦（decoupling）、旁路（bypassing）、滤波（filtering）、振荡（oscillation）、分压（voltage divider）、计时（timing）、抑制瞬态电压（voltage transient suppressing）、电压倍增（voltage multiplying）。

储能：

电容器在电路应用中有时候会扮演“电池”一样的角色，必要时能为某个元件提供瞬时电流，相机的闪光灯就是利用电容器此功能工作的。图1-1为电容器在相机闪光灯中应用原理简图，在没有按下快门之前电容器被充电且充电电压就是电源电压，当相机按下快门的一瞬间，相当于在闪光灯两端并联了两个等压的电源，满足了闪光灯瞬间大的电流的需要。

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图1-1    相机闪光灯原理简图 

平滑：

手机AC适配器作为充电装置是大家熟知的产品，如何将交流的220V电源转换成低压的直流电源，其中就利用了电容器对电压的平滑（smoothing/filtering）作用。 电容器的平滑作用原理是：当电压在峰值时，电容器充电，相当于“削峰”，当电压在谷值时，电容器放电，相当于“填谷”（见图1-2）。

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图1-2    电容器平滑作用原理简图

耦合：

图1-3是放大电路中电容器的耦合原理图，容值为1uF的电容器在电路中起到阻截直流、耦合（coupling）交流（“阻直通交”）的作用。

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图1-3    电容器耦合原理简图

去耦：

去耦（decoupling）有时被称作旁路（bypass），其实都可以看作滤波，其作用就是让电路中高频噪声接地被过滤掉。例如在晶体管的射极电阻或真空管的阴极电阻上并联的电容器，之所以叫它旁路电容器，是因为其交流信号经过电容器接地（见图1-4）。旁路电容器一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提供一条低阻抗的泄噪途径。高频旁路电容器一般比较小，根据谐振频率一般是等01.uF、0.01uF等，而去耦合电容器一般比较大，是10uF或者更大，要根据电路中分布参数以及驱动电流的变化大小来确定。

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图1-4    放大电路中的旁路电容器原理简图

图1-5中C1的和C2旁路电容起到两个作用：一是将噪声等交流成分接地释放掉；二是向IC瞬间提供电流并起到抑制电源电压突变的作用。C3、C4和C5去耦电容的作用是把IC产生的噪声接地释放掉。总之，频率越高的交流电流越容易通过电容器，电容器的电容量越大越容易使交流电流通过。

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图1-5    电容器去耦原理简图 

调谐：

电容器的导电情况是在充电或放电完成以前所发生的作用，所以电流先电压而发生。在电子电路中，有另外一种被动元件，其特性刚好与电容相反，也就是其电压先电流而发生，这就是电感。这两种特性相反的元件若串联或并联在一起，那么在某一特定频率时，电容电流超前和电感电流落后使两者刚好重叠，于是电流变成最大，反之，电容电流超前与电感电流落后，使两者相位差180°而相互抵消，电流变成最小。电容与电感串联产生的谐振叫串联谐振，电容和电感并联产生的谐振叫并联谐振。串联谐振和并联谐振通常被用于效率极高的带通或滤波电路中，如图1-6所示。

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图1-6    电容器谐振原理简图 

振荡：

电容器在导通交流时，因电流与电压存在相位差，所以在有增益的电路里很容易产生振荡（Oscillation）。图1-7所示为一种移相振荡器，图中的3个电容器使FET的漏极（D）有增益，因此周而复始的动作就形成了，这就是振荡。

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图1-7    移相振荡器原理简图

分压：

电容器对一特定频率的交流电就会产生容抗，而容抗的性质又类似于电阻，所以将两个电容器串联时电阻一样会产生分压（voltage divider）作用，因此电阻和电容会出现在高频衰减器上。图1-8所示是示波器或高频电压表输入电路中的衰减器，基本上还是以电阻分压为主，但是为了减轻寄生（潜在）电容对输入电阻的影响，每一个分压电阻均并联一个电容器，其容值大小的确定方法是使所有R×C均相等。

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图1-8    精密衰减电路原理简图

计时：

计时（timing）功能是将电容器与电阻器配合使用，来确定RC电路大的时间常数。图1-9所示延时电路可简要说明电容器是如何协同其他元件共同完成计时效果的。根据前面章节时间常数概念τ=R×C(s)，R阻值和C容值一旦确定，就能获得恒定的时间参数。 当输入信号由低向高跳变时，先经过CMOS缓冲1，然后输入RC电路。因电容充电的特性使B点的信号并不会跟随输入信号立即跳变，而是有一个逐渐变大的过程。当变大到一定程度时，经CMOS缓冲2翻转，并在输出端得到了一个延迟的由低向高的跳变，至今便达成了延时效果。假设上面延时电路没有电容器C1，那么信号波形从低电位向高电位跳变是瞬间发生的，没有时间差，这里正是利用了电容在充电时电压渐升、放电时电压渐降的特性

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图1-9    电容器计时原理简图 

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