电阻、电容硬件基础知识笔记-电子发烧友网

1.1电阻阻值

1.1.1阻值表的来源

电阻标准由IEC（国际电工委员会）制定，标准文件为IEC60063和EN60115-2。
电阻的标称阻值分为E6、E12、E24、E48、E96、E192六大系列，分别使用于允许偏差为±20、±10%、±5%、±2%、±1%、±0.5%的电阻器，其中E24和E96两个系列最为常用。
“E”表示“指数间距”（Exponential Spacing），它表明了电阻阻值是由公式计算出来的。

字母n指的是E24、E96等标准中的数值24和96，m的取值范围为0~n-1；这样E24有24个基准值，E96有96个基准值，这些基准值再乘以10的x次方，就可以得到各种阻值。

1.1.2电阻丝印

丝印展示出了2层意义：阻值大小和丝印。
封装0603以上的电阻（包含0603）在表面都印有丝印。
常用电阻丝印一般有：

带有三位或四位数字丝印

带有字母“R”的丝印

带有数字和R之外的丝印

1.带有三位或四位数字丝印
三位数字表示5%的精度，四位数字表示1%的精度，前面几位表示数值，最后一位表示10的x次方。

2.带有字母“R”的丝印
带字母R的电阻一般阻值较小，精度多为1%，可以吧R看做小数点，前面数字视为有效值。
例：“22R0”，前面22表示有效值，读数为22.0Ω，即精度为22Ω的1%精度电阻。

3.带有数字和R之外的丝印
这种电阻丝印在0603封装中比较常用，精度为1%，与之对应的标准为E-96。
E-96规定：用两位数字加一个字母作为丝印，实际阻值可以通过查表来获取，两位数字表示电阻阻值，字母表示10的x次方，也需要查表。

1.1.3电阻精度

电阻精度一般用字母表示：
T：±0.01%
A：±0.05%
B：±0.1%
D：±0.5%
F：±1%
J：±5%
K：±10%
最常用的精度是1%和5%，一般场合使用5%精度，有精度要求的使用1%电阻，比如DCDC、电流采样，特殊要求的根据实际情况选择更高精度。

1.1.4电阻封装

封装的命名是电阻的实际尺寸（英寸）
例：0402尺寸：1mmx0.5mm转换为英寸 0.04英寸x0.02英寸
常用电阻封装有：
01005、0201、0401、0603、0805、1206、1210、1218、2010、2512

1.1.5电阻的功率

电阻额定功率与封装
电阻的额定功率主要由封装决定，但也不是绝对的，还跟电阻的工艺、品牌、阻值大小等有一定关系。

可以看出同种封装，不同品牌、不同精度、不同阻值都会影响电阻的额定功率。

电阻的额定功率与温度关系
当温度超过70℃时，额定功率会下降，尤其是01005和0201额定功率要比其他封装下降趋势更大。

注1：曲线①适应于01005，0201 产品，曲线②适应于0402、0603、0805、1206、1210、2010、
2512 产品。
注2：当电阻使用的环境温度超过70℃时，其额定负荷（额定功率）按照上述曲线下降。

1.1.6电阻的额定电压

电阻是有额定耐压值，不能超过额定耐压值使用。

材质相同（厚膜）的额定电压，各品牌相差不大；

材质不同，厚膜要比薄膜要高，

封装越大，额定电压值越高。

1.1.7电阻的温漂

温度系数（TCR）表示电阻当温度没变化1℃时，电阻阻值的相对变化，单位为ppm/℃。
温度系数 = (R-Ra) / Ra ÷ (T - Ta) x 1000000
Ra：基准温度条件下的阻值
Ta：基准温度20℃
R：任意温度条件下的阻值
T：任意温度
常用电阻温度系数的范围为：-200~500ppm/℃
例：100ppm/℃的电阻，温度从20℃升到100℃时的变化率是多少？
阻值变化率 = 温差 * 温度系数 / 1000000 = (100 - 20) * 100 / 1000000 = 0.8%

1.1.8 0Ω电阻

0Ω电阻的作用

测试电流

电容设计，跳线

interwetten与威廉的赔率体系地、数字地隔离，单点接地

预留设计

电路保护，充当保险丝
……

0Ω电阻阻值有多大
根据标准文件EN60115-2，0Ω电阻最大阻值有10mΩ、20mΩ、50mΩ，需要查询各个品牌要求。

0Ω电阻过流能力

也有过流能力达到几十安的电阻，但这类电阻阻值一般极小，价格偏高

像封装1210、2512电阻封装变大了，为什么过流能力还是2A，这里过流能力没有增加，但是瞬时电流提高了。

1.1.9瞬时功率

什么场合会考虑瞬时电阻？瞬时功率过大会损坏电阻吗？

主要在开关电路，因为寄生电容或电感的存在，可能会对电阻有一个瞬间的冲击。

常规0402电阻的额定功率是1/16W，也就是0.0625W，电阻在这个功率下可以持续工作。
从上图可以看出，如果功率给到10W，电阻可以抗住10us不坏，功率降到3W时，可以抗住150us左右，当然这个时间不是绝对的。

2、电容

2.1电容的定义

电容的本质
两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。

电容量的大小
电容器的电量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉（F）。电路图中通常用字母C表示电容元件。
电容量的公式：

2.2陶瓷电容

2.2.1物理结构

MLCC是片式多层陶瓷电容器缩写，是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

可以看到，内部电极通过一层层叠起来，来增大电容两极板的面积，从而增大电容量。
陶瓷介质即为内部填充介质，不同的介质做成的电容器的特性不同，有容量大的，有温度特性好的，有频率特性好的等等，这也是为什么陶瓷电容有这么多种类的原因。

2.2.2陶瓷电容的基本参数

电容的单位
电容的基本单位是：F（法），还有uF（微法）、nF（纳法）、pF（皮法）。
换算关系：
1F = 1000 000uF
1uF = 1000nF = 1000 000pF

电容容量
常用陶瓷电容容量范围：0.5pF~100uF。
电容封装的不同，容量也会不同。
实际生产的电容陶瓷容量值是离散的，电容容量表如下表：

额定电压
陶瓷电容常见的额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV 等等。
额定电压值与电容两极板间的距离有关系，额定电压越大，一般距离就要更大，否则介质会被击穿，这就导致同等容量的电容，耐压值高的，一般尺寸会更大。
电容器的外加电压不得超过规定的额定电压，实际设计中，一般选择电容时，都会让额定电压留有大概70%的裕量。

电容类型
同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变换的响应速度和极化率也不一样，在相同体积下的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等就不同，介质材料按容量的稳定性可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器，NPO属于Ⅰ类陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U 等都属于Ⅱ类陶瓷。
MLCC 陶瓷电容主要分为2 大类：高节介电常数型和温度补偿型

电容实际电路模型
电容作为基本元器件之一，实际生产的电容是不理想的，会有寄生电感，等效串联电阻存在，同时电容两极板间的介质不是绝对绝缘的，因此存在数值较大的绝缘电阻。
所以实际电容模型见下图：

阻抗-频率特性
根据上述电容模型，可以得到电容的复阻抗公式：

某村田10uF 电容的阻抗频率曲线如下图：

这个坐标系是对数坐标系，纵轴为复阻抗的模。

谐振频率
电容在谐振频率处阻抗最低，滤波效果最好，不同规格的电容谐振频率也会不同，下图是村田常用电容的谐振频率表：

阻抗-频率曲线如下图：

等效电阻 ESR
陶瓷电容的等效串联电阻并不是恒定的，等效串联电阻和频率有很大的关系，上述10uF电容在100Hz时，ESR是3Ω，在700KHz的时候达到最小，ESR是3mΩ。
在做开关电源设计时，要着重考虑ESR影响，ESR直接影响纹波大小。
电容ESR表：

ESR-频率曲线如下图：

精度大小
相对于电阻的精度来说，电容的精度类型要低很多，以下是一般电容的精度：

温度特性
不同类型电容的工作温度范围是不同的，并且容量随温度的变化也不同：

在设计电路时，需要考虑不同电容的温度系数，按照使用场景选择合适温度系数的电容。

直流偏压特性
在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R 特性)，由于施加直流电压，其静电容量有时会不同于标称值，因此应特别注意。
例如，如下图所示，对高介电常数电容器施加的直流电压越大，其实际静电容量越低。
容值越高的电容，直流偏压特性越明显，如47uF-6.3V-X5R 的电容，在6.3V 电压处，电容量只有其标称值的15%左右，而100nF-6.3V-X5R 的电容容值为其标称值的75%左右。

漏电流和绝缘电阻
绝缘电阻主要与容量有关，容量越大，漏电流越小。

尽管陶瓷电容的漏电流不大，但大电容的漏电流也达到了微安级别，如果做低功耗产品时，还是要选一些绝缘电阻大的电容。

2.2陶瓷电容总结

2.2.1 电容阻抗-频率曲线图

从上图可以看出，横轴是频率，纵轴是阻抗，可以清楚的看到在各个频点上，电容的阻抗是多少，也能看出在哪个频率点谐振，ESR是多少。

2.2.2电容阻抗模型

从电容曲线图可以看出电容的阻抗是随频率的变化而变化，并不是不变的，这时因为电容都不是理想的，都会存在寄生参数，可用简化模型表示。

ESR是等效串联电阻，ESL是等效串联电感，C为理想电容，因此实际的电容阻抗可以用公式进行表示：

根据上述公式，可以得到以下曲线图：

在频率较低的时候，可以看到，感抗远小于容抗，并且复阻抗的相位为负值，说明电流超前电压，这时典型的电容充电特性，所以说电容在低频主要表现为容性。
在频率较高的时候，感抗远大于容抗，并且复阻抗的相位为正值，说明电压超前电流，这时典型的电感施加电压的行为特征，所以说电容在高频主要表现为感性。
而在谐振时，容抗和感抗相抵为0，此时电容的总阻抗最小，复阻抗相位为0，此时表现为纯电阻特性，这个点就是电容的自谐振频率。在谐振频率左边，电容主要呈容性，在谐振频率右边，主要呈感性。

2.2.3滤波电容的选择

其实就是选阻抗最低的。

整个阻抗曲线呈大V 型，只有在谐振频率点附近的阻抗才比较低。所以，实际的去耦电容
都有一定的工作频率范围，只有在谐振频率附近，电容才有很好的去耦作用。
可能有人会觉得，在频率比谐振频率高一点的时候，电容都成感性了，都不是电容了，所以不能让噪声的频率大于电容的谐振频率。其实这是错误的，去耦就是要选阻抗低的，阻抗低，在电容上产生的电压波动就小，也就是噪声会小。

2.2.4陶瓷电容曲线图

来看下常规的MLCC 陶瓷电容的曲线图。可以看出，不同的电容，曲线是不同的，容量大的ESR 要小写，谐振频率低些，主要滤低频。容量小的ESR 要大些，谐振频率要高些，主要滤高频。

2.2.5两种方式组合滤波

实际电路中我们需要去耦的频率范围会比较宽，因此呢一个电容搞不定，那怎么办呢？我们经常有两种方法来解决：
1.一种是使用一个大电容和一个小电容并联。
2.还有一种是使用多个相同的电容并联。

那么这两种方法达到的效果分别是怎样的呢？

首先来看大小电容并联。
大小两个电容分别有各自的谐振频率f1 和f2。

当频率比较低的时候，两个电容都成容性，在频率比较高的时候，两个电容都呈感性，并联后总体阻抗曲线都会保持原来的变化趋势，因此，数值上会比任意一个电容都小。

但是，当频率大于f1 并小于f2 时，大电容呈感性小电容呈容性，两者并联，就像是一个电感和一个电容并联，构成了LC 并联谐振电路，并在某一个频率点发生并联谐振，导致该处阻抗很大。如果负载芯片的电流需求正好落在这个频率，那么会导致电压波动超标。所以，我们需要选好电容的搭配情况。

相同电容并联的情况
n 个相同的电容并联，谐振频率和单个电容一样，但是在谐振点处的阻抗是原来的n 分之一，因此，多个相同的电容并联后，阻抗曲线整体形状不变，但是各个频点的整体阻抗变小。

2.3铝电解电容

2.3.1铝电解电容概述

基本模型
电容器是无源器件，在各种电容器中，铝电解电容器与其他电容器相比，相同尺寸时，CV 值更大，价格更便宜。电容器的基本模型如图所示。

静电容量计算式如下：

其中，
ε为介电常数；
S为两极板正对表面积；
d 为两极板件距离（电介质厚度）；
从式中可以看出：静电容量与介电常数，极板表面积成正比、与两极板间距离成反比。作为铝电解电容器的电介质氧化膜(Al2O3)的介电常数通常为8~10，这个值一般不比其他类型的电容器大，但是，通过对铝箔进行蚀刻扩大表面积，并使用电化学的处理得到更薄更耐电压的氧化电介质层，使铝电解电容器可以取得比其他电容器更大的单位面积CV 值。

铝电解电容器主要构成如下：
阳极-----铝箔
电介质—阳极铝箔表面形成的氧化膜（Al2O3)
阴极-----真正的阴极是电解液
其他的组成成分包括浸有电解液的电解纸，和电解液相连的阴极箔。综上所述，铝电解电容器是有极性的非对称构造的元件。两个电极都使用阳极铝箔的是两极性（无极性）电容。

基本构造
铝电解电容器素子的构造如图所示，由阳极箔，电解纸，阴极箔和端子（内外部端子）卷绕在一起含浸电解液后装入铝壳，再用橡胶密封而成。