6-5-3. 电容器寄生元件的效果
(1) 阻抗如何变化？
前面的章节介绍了电容器的阻抗频率特性形成V形，并且低频 (左侧) 和高频 (右侧) 分别对应于静电电容和ESL的事实。通过指定零件号，可以轻松地控制电容器的静电电容。ESL有多大的效果？
图12显示从具有1,000pF标称静电电容的几种类型陶瓷电容器测量阻抗的示例。图示表明……
(a)MLCC (层压结构) (而不是单板)
(b)拥有较短引线的电容器
(c)SMD电容器 (而不是带引线的电容器)
都更接近理想电容器，并且具有较小的阻抗，直到达到更高的频率。这也表明ESL以这个顺序降低。这种趋势通常存在于所有电容器中——不仅在陶瓷电容器中。这是因为ESL背后的主要因素是内部电极和引线形状。
当使用电容器消除发射的噪声时，将在30MHz或更高的频率处加以使用。如图所示，即使使用相同的1,000pF电容器，由于ESL的差异，在该频率下也可能存在10倍或更大的差异。
图12 修改安装形式时的阻抗变化示例 (1,000pF)
(2) ESL值是多少？
那么现在ESL的值是多少？
图13显示使用等效电路模型，在1,000pF电容器上计算改变ESL之后的阻抗的结果。对比图12和图13，我们可以预估，ESL将为
- 约10nH (对于拥有10mm引线的MLCC而言) (图12中的 (2) )
- 1nH或以下 (对于无引线的SMD MLCC而言) (图12中的 (4) )
- 0.1nH或以下 (对于三端子电容器而言) (图12中的 (5) )
这里提到的nH值是在仅为几毫米长的引线上出现的极小值。观察图中100MHz以上的频率，会发现即使如此微弱的电感也有显著的效果。
注意，图12中 (5) 所示的三端子电容器是高性能电容器，采用了旨在降低ESL的特殊结构。三端子电容器将在第8章中进一步讲述。
图13 ESL发生变化时的阻抗计算结果
(3) 使用尽可能短的电容器引线
最好使用具有很低ESL的电容器来抑制噪声。如图12中的 (2) 、 (3) 和 (4) 所示，使用电容器时，引线应尽可能短 (如果可能，应采用SMD) 。
实际上，在第6-4节图2中所示的实验中，通过电容器本身的ESL的差异以及由是否存在引线造成的ESL差异来改变降噪效果。如果电容器安装在大约10mm长的引线上 (第6-4节，2 (d) ) ，与没有引线的情况 (第6-4节，图2 (c) ) 相比，降噪效果将至少减少10dB。
(4) 电解电容器的阻抗特性
迄今为止，对电容器特性的解释大多使用MLCC作为示例。对于需要大静电电容的应用 (例如功率调平) ，使用每体积具有大静电电容的电解电容器。电解电容器的阻抗特性与MLCC的阻抗特性略有不同。图14显示了一些对比示例。
铝电解电容器有时用于功率调平。图14显示铝电解电容器的阻抗曲线形成碗状 (或U形) 。图示还表明，无法清晰看到自谐振。这意味着电容器损耗相对较大；在图7的等效电路中将存在显著的ESR。
图14 比较电解电容器和MLCC阻抗的实例
(5) ESR具有何种效果？
图15显示当ESR改变时，以1μF电容器为例，计算阻抗的结果。在ESR为500兆欧的情况下，可以获得与图14 (a) 中铝电解电容器测量结果类似的特性。因此，可以通过增加ESR来再现电解电容器的阻抗特性。与碗形特征曲线底部相对应的阻抗表示ESR值。
铝电解电容器的ESR可以达到1Ω或以上。电容器的阻抗绝对不会小于ESR；这意味着具有较大ESR的电容器不适合用于噪声抑制。
另一方面，用于抑制噪声的电容器可能与周围电路产生谐振，进而导致故障。在这种情况下，ESR可以用作谐振阻尼电阻器，以防止这种故障。因此，具有稍大ESR的电容器将会有益。
图15 ESR发生变化时的阻抗变化计算结果
(6) 具有较低ESR的电解电容器
一些电解电容器设计用于最大程度减小ESR。示例包括钽电容器和导电聚合物电容器。图14中的测量结果还包括使用这些电容器的示例。图示表明，谐振频率周围的阻抗小于铝电解电容器的阻抗。
然而，这并不能扩展到适用于MLCC，即使使用这些电容器也不行。即使在需要较大静电电容的应用 (例如功率调平) 中，噪声降低也很重要的情况下，应选择大容量MLCC，或者MLCC应与电解电容器并联安装进行使用。
6-5-4. 熟练使用电容器
(1) 以噪声的频率为基准调整自谐振频率
电容器的阻抗是其自谐振频率的最小点。该值可能低于该频率下理想电容器的阻抗值。如果噪声的频率是固定的，只要可以调整自谐振频率以匹配噪声，就可以获得显著的降噪效果。
为了调整自谐振频率，请选择静电电容与噪声匹配的电容器。如图4所示，如果电容器的静电电容发生变化，则电容器电容的特性曲线平行移动。如图16所示，自谐振频率也相应地改变。因此，可以调节自谐振频率以匹配噪声的频率。
然而，自谐振频率受到印刷板的微小电感量的影响并改变。后文将作相关阐释。频率不能在纸上很好地调整，因此在实际测试期间确认结果很重要。
图16 调整自谐振频率
(2) 如果噪声频率很宽，唯一的选择是使用具有低ESL的电容器
在抑制噪声时，通常难以提前估计噪声频率。在这种情况下，必须准备在较宽频率范围内工作的滤波器，以确保滤波器在任何噪声频率下都是有效的。方法 (1) 不能用于这种应用。
图16表明，即使静电电容改变，在电容器处于电感状态的区域 (例如，1GHz) 中，阻抗也几乎不改变。如前所述，这是因为在这些频率下ESL占了大部分比例的电容器阻抗，因此静电电容难以产生效果。
在较宽范围的高频下 (电容器处于电感状态) ，抑制噪声的唯一方法是使用具有尽可能小的ESL的电容器。
(3) ESL可能对低频噪声具有影响
如图13所示，ESL仅在高于100MHz的频率下有效果。然而，当使用具有较大静电电容的电容器时，可能存在ESL在极低频率下发挥强烈效果的情况。这是因为自谐振频率降低，因此电容器处于电感状态的频率范围扩展到较低频率。
图17显示了在静电电容为10μF的电容器上ESL发生变化的示例。这表明，当涉及噪声抑制 (例如1MHz) 时，在被视为低频的情况下ESL可以产生强烈的效果。在使用大容量电容器不能获得期望的降噪效果的情况下，还有考虑ESL是否正在发挥效果的余地。
但是应注意，旁路电容器的ESL不仅包括电容器本身的ESL，还包括用于安装零部件的线路的电感。下一节将对此进行阐述。因此，在试图降低ESL时，考虑用于安装电容器的线路也很重要。
图17 ESL对大容量电容器的影响
(4) 用于安装电容器的模板可能是ESL背后的一个因素
前文提到，ESL对电容器的降噪效果有显著的影响。然而，还有另一个因素起着很大的作用，那就是在电路板上安装电容器时产生的电感。
如图18所示，需要采用布线模板和通孔将电容器安装到电路板上，并将其连接到电路。这些零部件的电感与旁路电容器串联。因此，当电容器安装在电路板上并实际运行时，旁路电路的总体ESL将大于电容器本身的ESL。
这种“总体ESL”将影响实际降噪结果。
图18 旁路电路的总体ESL
(5) 模板和通孔电感的影响是什么？
线路和通孔电感的影响是什么？这种影响实际上足够大，不能被忽略——事实上，其效果甚至可能大于电容器本身的ESL，具体取决于其使用方式。
图19显示在电容器的两端安装1mm宽模板时计算阻抗的结果。这表明，即使只有几个毫米宽的线路，也可能使100MHz处的阻抗增加10倍或更多。
使用电容器降低高频噪声时，必须使模板保持短路。
图19 电容器阻抗 (包括模板) (计算值)
(6) 大概的模板和通孔电感
模板和通孔具有多大的ESL？其数值非常小，不容易测量或计算。不过，模板通常具有约0.5nH/1mm，而通孔通常具有0.1nH/每个。 (在任一情况下，假设使用多层板并具有较好的条件，接地平面在0.4mm以下。如果使用双面板等，数值会增加。)
考虑到 (即使使用MLCC) 电容器本身的ESL将为大约0.5nH的事实，这些值足够大，因而不能被忽略。如果要有效地使用电容器，则电容器的安装方式必须确保最大程度地降低此电感。
(7) 如何安装电感器以最大程度降低ESL
图20 (b) 和 (c) 显示模板和通孔电感减小的安装情况的示例。
将地线层或其他坚固接地连接到电容器。图示中使用的是具有内置接地平面的电路板。
将连接电容器和地线层的通孔布置在电容器附近。如果可能，在电容器周围安排几个通孔，如图所示。将通孔布置在电容器下方将进一步降低ESL。
图20 (b) 显示将电容器直接布置在携带噪声的线路上方的示例，其中线路保持尽可能短。这样会将模板和通孔电感降低到可以忽略的水平。
但是，此方法需要移动连接到地线的通孔的位置。
图20 (c) 显示当通孔的位置不能移动时的解决方案的示例。如图所示，电容器靠近连接到地线的通孔放置，而携带噪声的模板移动到靠近电容器的位置。这样可以最大程度地降低旁路噪声方向上的电感。
图20 使用可以减少ESL的电容器
(8) 使用专用电容器消除超过1GHz的噪声
图17中的测量结果表明，为了在1GHz下获得1Ω或更小的阻抗，ESL必须在0.2nH左右或更小。这个值太小，即使使用MLCC也不可能实现。还必须考虑线路和通孔的电感，如图18所示。那么应该如何安装？
可以使用三端子电容器 (图12中的 (5) ) 来解决此问题。具有低ESL的电容器 (例如三端子电容器) 用于抑制在1GHz及更高频率下的噪声。第8章将提供更多详细信息。
图21 具有低ESL的电容器
“6-5. 电容器的实际特性”- 要点
- 实际电容器包含两个类型的寄生元件：ESL和ESR。
- 在消除高频噪声时，寄生元件的效果大于静电容量。
- 使用低ESL的电容器可消除100MHz以上的很宽频率范围的噪声。
- 请注意，用于安装电容器的模式也会生成ESL。