電容器被廣泛視為解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥，值得更多尊重。設(shè)計人員通常認為增加幾個電容器可以解決大多數(shù)噪聲問題，但很少考慮電容和額定電壓以外的參數(shù)。然而，像所有電子元件一樣，電容器并不完美。相反，它們具有寄生有效串聯(lián)電阻 （ESR） 和電感 （ESL）；它們的電容隨溫度和電壓而變化；它們對機械效應很敏感。
設(shè)計人員在選擇旁路電容時，以及在濾波器、積分器、定時電路和其他實際電容值很重要的應用中使用時，必須考慮這些因素。選擇不當會導致電路不穩(wěn)定、噪聲和功耗過大、產(chǎn)品壽命縮短以及電路行為不可預測。
電容器技術(shù)
電容器具有多種外形尺寸、額定電壓和其他特性，可滿足各種應用的要求。常用的介電材料包括油、紙、玻璃、空氣、云母、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質(zhì)都有特定的特性，會影響其對特定應用的適用性。
在穩(wěn)壓器中，通常使用三大類電容器作為電壓輸入和輸出旁路電容器：多層陶瓷電容器、固體鉭電解電容器和鋁電解電容器。附錄提供了比較。
多層陶瓷
多層陶瓷電容器 （MLCC） 兼具小尺寸、低 ESR、低 ESL 和寬工作溫度范圍，使其成為旁路電容器的首選。然而，它們并非沒有缺點。根據(jù)介電材料的不同，電容會隨溫度、直流偏置和交流信號電平而發(fā)生顯著變化。此外，介電材料的壓電性質(zhì)可以將振動或機械沖擊轉(zhuǎn)化為交流噪聲電壓。在大多數(shù)情況下，這種噪聲往往在微伏量級，但在極端情況下，機械力會產(chǎn)生毫伏范圍內(nèi)的噪聲。
壓控振蕩器 （VCO）、鎖相環(huán) （PLL）、RF 功率放大器 （PA） 和其他模擬電路對其電源軌上的噪聲很敏感。這種噪聲表現(xiàn)為VCO和PLL中的相位噪聲、RF PA中的幅度調(diào)制以及超聲、CT掃描和其他處理低電平模擬信號的應用中的顯示偽影。盡管存在這些缺陷，但幾乎所有電子設(shè)備都使用陶瓷電容器，因為它們占地面積小，成本低。然而，對于噪聲敏感型應用中使用的穩(wěn)壓器，設(shè)計人員必須仔細評估其副作用。
固體鉭電解
與陶瓷電容器相比，固體鉭電容器對溫度、偏置和振動的影響不太敏感。最近的一種變體使用導電聚合物電解質(zhì)代替通常的二氧化錳電解質(zhì)，提供改進的浪涌電流能力，并且無需限流電阻器。較低的 ESR 是該技術(shù)的另一個好處。固態(tài)鉭電容器在溫度和偏置電壓下具有穩(wěn)定的電容，因此選擇標準只需考慮容差、工作溫度下的電壓降額和最大 ESR。
具有低ESR的導電聚合物鉭電容器成本更高，并且比陶瓷電容器大一些，但對于由于壓電效應而無法承受噪聲的應用來說，這可能是唯一的選擇。然而，鉭電容器的漏電流遠大于等值陶瓷電容器，因此不適合某些低電流應用。
固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)的一個缺點是這種類型的鉭電容器對無鉛（Pb）焊接過程中遇到的高溫更敏感，制造商通常規(guī)定電容器的焊接周期不超過三個。在裝配過程中忽略此要求可能會導致長期的可靠性問題。
鋁電解
傳統(tǒng)的鋁電解電容器往往很大，具有高ESR和ESL，相對較高的泄漏電流和有限的使用壽命 - 以數(shù)千小時為單位。OS-CON電容器采用有機半導體電解質(zhì)和鋁箔陰極來實現(xiàn)低ESR。雖然與固體聚合物鉭電容器有關(guān)，但它們實際上比鉭電容器早了 10 年或更長時間。由于沒有液體電解質(zhì)變干，OS-CON型電容器的使用壽命優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容器。大多數(shù)電容器限制在 105°C，但現(xiàn)在提供能夠 125°C 工作的 OS-CON 型電容器。
雖然OS-CON型電容器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容器，但它們往往比陶瓷或固體聚合物鉭電容器更大，ESR更高。與固體聚合物鉭電容器一樣，它們不會受到壓電效應的影響，因此適用于低噪聲應用。
為LDO電路選擇電容器
輸出電容
ADI公司的低壓差穩(wěn)壓器（LDO）可以使用小型、節(jié)省空間的陶瓷電容工作，只要它們具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）；輸出電容的ESR會影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定性，建議最小電容為1 μF，最大ESR為1 Ω。
輸出電容也會影響穩(wěn)壓器對負載電流變化的響應。控制環(huán)路具有有限的大信號帶寬，因此輸出電容必須為非常快速的瞬變提供大部分負載電流。當負載電流在500 mA/μs時從1 mA切換到200 mA時，無法提供足夠電流的1 μF電容會產(chǎn)生約80 mV的負載瞬變，如圖1所示。將電容增加到10 μF可將負載瞬變降至約70 mV，如圖2所示。將輸出電容進一步增加到20 μF，允許穩(wěn)壓器控制環(huán)路跟蹤，從而主動降低負載瞬變，如圖3所示。這些示例使用具有5 V輸入和3.3 V輸出的線性穩(wěn)壓器ADP151。
圖1.COUT = 1 μF時的瞬態(tài)響應。
圖2.COUT = 10 μF時的瞬態(tài)響應。
圖3.COUT = 20 μF時的瞬態(tài)響應。
輸入旁路電容器
從V連接1 μF電容在接地會降低電路對印刷電路板 （PCB） 布局的敏感性，尤其是在遇到長輸入走線或高源阻抗時。當輸出端需要超過1 μF時，增加輸入電容以匹配輸出電容。
輸入和輸出電容器屬性
輸入和輸出電容必須滿足預期工作溫度和工作電壓下的最低電容要求。陶瓷電容器具有多種電介質(zhì)，每種電介質(zhì)相對于溫度和電壓具有不同的行為。對于 5V 應用，建議使用 6.3V 至 10V 額定電壓的 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。Y5V 和 Z5U 電介質(zhì)的特性相對于溫度和直流偏置較差，因此不適合與 LDO 一起使用。
圖4顯示了采用0402封裝的1μF、10V X5R電容器的電容與偏置電壓特性的關(guān)系。電容器的封裝尺寸和額定電壓對其電壓穩(wěn)定性有很大影響。通常，更大的封裝或更高的額定電壓將提供更好的電壓穩(wěn)定性。X5R 電介質(zhì)在 –40°C 至 +85°C 溫度范圍內(nèi)的溫度變化為 ±15%，與封裝或額定電壓無關(guān)。
圖4.電容與電壓特性的關(guān)系
為了確定溫度、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況電容，請根據(jù)溫度變化和容差來調(diào)整標稱電容，如公式1所示：
CEFF = CBIAS × （1 – TVAR） × （1 –TOL）
（1）
其中CBIAS是工作電壓下的標稱電容；TVAR是溫度變化的最差情況電容（作為1的分數(shù)）；TOL 是最差情況下的組件容差（作為 1 的分數(shù)）。
在本例中，對于 X5R 電介質(zhì)，TVAR 在 –40°C 至 +85°C 范圍內(nèi)為 15%;托爾為10%;CBIAS在1.8 V時為0.94 μF，如圖4所示。在公式1中使用這些值得到：
CEFF= 0.94 μF × (1 – 0.15) × (1 – 0.1) = 0.719 μF
ADP151在工作電壓和溫度范圍內(nèi)的最小輸出旁路電容為0.70 μF，因此該電容滿足這一要求。
結(jié)論
為了保證LDO的性能，必須了解和評估直流偏置、溫度變化和旁路電容容差的影響。在需要低噪聲、低漂移或高信號完整性的應用中，還必須考慮電容技術(shù)。所有電容器都會受到非理想行為的影響，因此選擇的電容器技術(shù)必須符合應用的需求。
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