一、关于电容的概念1、理想电容
电子电路中有四个基本物理量：电压V、磁通量φ、电流I、电量Q； 这四个物理量构成了电路的理论基础。 我们通常使用的电阻、电容、电感器件的特性都是由这些基本量推导出来的。 通过推理得到。 从电磁理论中，我们可以知道V和φ与Q和I之间的关系如下：
根据麦克斯韦方程组的第三个方程——法拉第定律：曲面上磁通量的变化率等于感应电场的环流电流（记住：磁场与电流密切相关）； 简单的说法是：感应电场等于单位时间内磁通量的变化，即：V=dφ/dt或dφ=V*dt。 电磁学通论：单位时间（t）内通过导体任意截面的电量（q）称为电流强度（I），即I=dq/dt； 或 dq=i*dt。
如上图所示，四个基本物理量成对组成四象限关系图，分别对应电阻、电容、电感和忆阻器四种基本电路元件。 让我们看看电容器是否解决了这个问题：
电容器：C=dQ/dV，是指在电场中储存电能的无源电子元件。 它是储存电场能（静电场能）的容器； 电容的单位是F，1F的意思是：元件两端改变1C的电量，就会导致1V的电压变化。
——同样对于电容器来说，电容也是Q（电荷的变化）相对于V（电压的变化）的曲线的斜率（因此有些电容器对电压值非常敏感，电容值随着电压的变化而变化很大）外部电压增加。品种）。
因此，电容是： 由两个导体组成。 任意两个导体之间都存在一定的电容。 其本质是衡量两个导体在一定电压下储存电荷的能力； 在一定电压下，能存储的电荷量越多，这对导体的电容就越大。
——只要有两个导体不短路，施加电压后就会有电荷积累，那么它们之间就会产生电容； 一定要记住这个条件，后面不同电容的出现方式是超乎想象的，这是唯一遵循标准的方法。 稍后将在“电容器原理”和“信号完整性基本主题”中详细解释。
——C=ε0*εr*A/d，C：电容； ε0：真空介电常数； εr：相对介电常数； A：电极面积； d：电极距离。
2. 理想电容器
电容器是一种储能元件，以静电场能（电场能）的形式存储能量。 理想电容器两端的电压不能突然变化。 我们还通过两种电压模式来看电容的特性：直流电压和交流电压；
当在电容两端（中间有电阻R）加直流电压时：上电瞬间，电容在电路中呈现低阻抗状态，电容快速充电（大电流） ），电容两端相当于短路； 那么电容两端电压非线性增加（指数曲线），RC充电时间常数为τ=R*C；
——当达到RC充电时间常数时，电容器两端的电压达到施加电压的0.63倍。 电容器两端的电压等于施加的直流电压（理论上，电容器两端的电压始终小于施加的直流电压，即永远不会充满电）。 此时流过电容器的电流为0，电容器相当于开路； 此时，电源释放的能量，以静电场能量（电容器两端添加的电荷）的形式存储在电容器中。 当在电容器上施加交流电压时，电流相位超前电压相位 90°。 电容阻抗 小电容是用来“通高阻低”的。
2.关于电容原理
理想电容器的频率响应特性图如下图所示。 其阻抗为 Z(jω) = 1/jωC = -j/ωC，因此我们可以看到：
电容器阻抗的大小| Z(jω)| = 1/ωc 随频率线性减小，斜率为 -20dB/十倍频程（对数标度）； 电容的相位角在所有频率下都是-90°（相位角的定义，虚轴如何旋转，别忘了~）。
当然，电容和电阻一样，不仅仅是理想的电容特性，而是电容、寄生电阻和寄生电感的综合体； 并且不同类型的电容器的特性也不同。 例如：容量较大的铝/钽电解电容（10uF级～10uF级）可用于储能。 陶瓷电容的电容量比较小（pF级~数百uF级），但寄生电阻（ESR）很小，可以用来抑制EMI辐射。
但本质上，电容器可以看作是一堆被电介质隔开的平行板，如下图所示；
电介质中的损耗（极化和电阻损耗）由并联电阻 Rdiel 表示；
——这个电阻值很大，在电容器中表现为漏电流，在电容器模型中可以忽略不计。 平行板上的寄生电阻由下式表示：
——平行板金属材料的寄生电阻很小。 对于小型陶瓷电容，其值可以忽略不计； 所以陶瓷电容的规格上通常看不到ESR参数。 电容器引线上存在一定的寄生电感和电容，分别用：Llead和Clead表示；
——这些寄生电感和电容的大小取决于引线的结构。 Clead一般比理想电容C小很多，所以可以忽略不计。 因此，电容器的等效电路由C、Llead、Llead串联组成，称为等效串联电阻或ESR，故为Rs（ESR或Rs并不总是恒定的，而是随频率变化，即下面会详细介绍。）
如下图所示，可得电容等效电路模型的阻抗Z(jω)=1/jωC+Rs+jωL=(1+jωC*Rs-ω²C*L)/jωC。 由这个公式，我们可以得到1个极点（分母为0的点：ω=0），2个零点（分子为0的点，忽略电阻的影响，零点为：1/(2π √LC），电容随频率变化添加过程如下：
该电路的行为类似于直流开路；
——电感Lead是短路，电容C是开路，所以串联后呈现开路状态。 随着频率的增加，容抗在模型中起着主要作用（极点的作用），因此它随频率以-20dB/10倍频率的速率线性下降。 电容器的电路模型表现为电容性（相角接近 - 90°）； 直到频率增加到f0= 1/2π* sqrt{Llead*C}，电容器的容抗等于电感的感抗（阻抗值相等且符号相反，因此它们抵消互相出局）。 此时，电路的总阻抗为Rs（ESR）； 此时电容器的电路模型表现为阻性（相位角为0°）；
——f0称为自谐振频率点。 频率持续增加。 此时，感抗在电容电路模型中起着主要作用。 随着频率的增加，阻抗幅度以+20dB/10倍频率的速率增加。 电容器的电容模型表现出电感性（相位角接近 + 90°）。
——如何判断电路是电容性、电阻性还是电感性？ 主要取决于电路中电压和电流的相位关系，即阻抗相位角：如果相位角为0°，则为阻性。 若相角0°为感性（90°为纯感性）； 相位角反映了阻抗中电容、电阻、电感之间的比例关系。 同学们需要仔细看看~对于很多应用，例如：电源滤波需要考虑电容的低阻抗来旁路噪声电流，所以最佳频率点必须在电源的自谐振频率点f0附近电容器； 然而，电容器在不同阶段表现出不同的特性：电容性、电阻性和电感性。 如果电流噪声频率高于电容的谐振点f0可以吗？ 换句话说，电容只能滤除自谐振频率f0以下的噪声吗？
——我个人认为电容是电容性的或者是电感性的，对滤波没有任何作用。 即噪声频率可以高于f0，可以有很好的滤波； 对于常用的设备电源滤波/去耦应用电容c的单位，我们需要的电容器是该频率下对电源电流波动（噪声）的响应速度，是此时电容器阻抗的大小，而不是该阻抗的属性。
下右图为相同材料、相同封装、不同容值的电容器的二阶阻抗-频率特性。 我们的定性分析如下：
电容值越小，低频段阻抗越大；
——根据电容阻抗计算公式：Z = RE + jω *(Llead- 1/ω²C) ≈1/jωC，在相同信号频率（ω相等）下，C越大，阻抗越小（电容特性）低频段效应占主导地位）。 电容值越小，自谐振频率越大；
——自谐振频率点 f0 = 1/(2π* sqrt{Llead*C} )，假设相同材质、相同封装的电容具有相同的 Llead 值：则 C 越大，自谐振越小频率点f0为； 而C和f0的关系可以通过公式计算出来。 例如，如果C增加10倍（如上图所示：0.1uF和0.01uF），那么自谐振频率点f0将相差sqrt{10} = 3.16倍。 对于不同电容值的电容器，自谐振频点右侧（高频段）的曲线重叠；
——如上分析，自谐振频点后，电容器呈现出电感特性：Z = RE + jω *(Llead -1/ω²C)≈jωLlead。 其阻抗曲线的斜率取决于寄生电感Llead的大小，而相同材料和封装的电容器的寄生电感值非常接近，并且如电容器阻抗曲线所示，阻抗曲线向右自谐振频率点相同。 电容值越小，Rs(ESR)呈现上升趋势；
——电容器的ESR取决于电容器本身的材料、结构和封装，也与电容器的工作频率有关（参见下节“电容器参数”）。
寄生电阻和寄生电感对器件结构、封装以及电容器本身的尺寸有很大影响。 为了减少寄生电阻和电感，最好采用小封装和贴片电容。 不同的电容器有不同的阻抗-频率特性曲线。 在实际应用中，我们需要根据不同的硬件设计应用来选择不同电容量、材料、封装的电容，以达到最合适的效果。
三、电容器特性 1、电容量
我们已经初步了解了电容的概念，即：电容是由两个导体组成的，其本质是衡量两个导体在一定电压下储存电荷的能力。 任意两个导体之间都存在一定的电容。 电容C可以简单地定义为：单个导体上存储的电荷量（Q）与导体之间的电压（V）之比，C=Q/V。
——如果两个导体之间没有直流通路（电位不相等），那么它们之间就存在电容，其阻抗会随着频率的增加而减小。 在高频时，阻抗很低； （任何导体包括：线、面和其他导体）。
如下图所示，从电容的定义来分析：在一定电压下，能够储存的电荷越多，一对导体（电容器）的电容就越大。 虽然电荷和电压的关系是用电容的定义来表达的，但这对导体（电容器）的电容与外部施加的电压没有关系； 电容取决于一对导体的几何形状以及导体之间的关系（电场通过的介电材料的特性：与电容器板的有效面积和电容器板的介电常数成正比）绝缘介质，并且与板之间的距离成反比：
C = ε0*εr * A/d。
ε0：真空状态下介质的介电常数（=8.85×10-12 F/M）；
εr：相对介电常数；
A：电极面积（m²）；
d：介质厚度（米）。
如上图所示，对于理想电容器，两个导体之间不存在直流路径。 只有当导体之间有电压变化时，电容器中才会有电流（位移电流）流过：I = ΔQ/ Δt = C *dV/dt； 在导体之间给定的电压变化率下，电容是： 以相同的变化率衡量导体之间产生的电流量。
——我们需要明白，电容电流并不是通过电容器本身的实际传导电流，即不存在真正的载流子（电子或空穴）从电容器的高电平端导体流经电容器到电容器内部。低电平端导体。 该电流就是位移电流。 从这个角度来看，位移电流似乎是一个为了方便理解电容电流而虚构的概念，但实际上位移电流是真实存在的。 虽然没有自由电子通过，但它会像其他电流一样在周围产生电磁场。 关于传导电流和位移电流的概念，有兴趣的同学可以自行学习。
2、介电常数
ε0 是真空状态下的介电常数，也称为真空介电常数或电常数（电磁物理常数）电容c的单位，由库仑定律引入（F = k*(q1*q2)/r², k =1/(4πε0)），为反映真空中两个电荷之间相互作用力的常数。 同时由麦克斯韦方程组推导：ε0*μ0 = 1/C²，即真空中光速C = sqrt{1/ε0*μ0}（详细推导见后续《信号完整性基础知识》） ”章节）或ε0 = 1/(C²* μ0)，其中μ0是真空磁导率（在后续“电感器原理”章节中解释）。
那么相对介电常数εr是多少呢？
既然是相对介电常数，就意味着它是相对于真空介电常数而言的，是一个相对量，介电常数值>1（真空介电常数最小）。 相对介电常数表征介质材料极化强度的物理参数，反映导体间绝缘材料增加电容的材料特性。 相对介电常数也表征了材料的蓄电能力，也称为相对介电常数。 介电常数。 这些说法比较难理解：什么是材料的极化？ 为什么会导致电容增大？ 让我们扩展一下：
任何物质/材料在电场中都会被极化：如下图的电容模型所示（这是极化的示意图。对于绝缘材料来说，它们的正负电荷只能在很小的范围内移动（只能绕着原子走） ) )，并且不能自由移动），板之间的材料处于电场中。 原本呈中性的材料由于受到外部电场力的作用而形成电偶极子：材料内部出现感应电场，破坏了原有的电场。 中性状态，这种现象就是极化（我敢打赌你一定要看三遍以上才能明白~）。
——绝缘材料由电子（负电）和原子核（正电）组成。 只要施加外部电场，材料就不可避免地发生极化。 偏振程度取决于材料本身的特性。 同时，极化电场的强度与外部电场有关。 成比例的; 如果中间介质是金属导体，那么理论上它会完全极化（完全抵消外部电场），所以金属导体的相对介电常数r理论上是无穷大。
举个栗子（这个栗子有点重~），假设在电容两端施加一定的外部电压：
1、若处于真空状态（无介质材料），其电场强度为E0；
2、当有介质材料时，施加的电场强度为：E； 材料极化电场强度为：E'；
——材料的极化电场强度与外加电场强度相反。 作用在导体之间的实际电场强度为：E - E'，相当于作用在导体之间的实际电场被削弱。
3. 可以得到相同外加电压下的电场强度关系为：E - E' = E0； 即有介质材料时导体电荷Q=材料极化电荷Q'+真空态电荷导体电荷Q0； 因此根据C = Q/V，电容会增加。
——如果要使介电材料的电场强度与真空介质的电场强度相同，那么导体的两极需要更多的电荷，即在相同的电压V下可以储存更多的电量Q（因为部分电压 V 被内部电场抵消）。
——这部分关于材料的“极化”，是电容器能够成为电容器的核心原因。 如果看不懂，可以看两遍，然后再思考。
4、相对介电常数εr表示在介质材料包围的相对真空状态下电容增加的比例：εr=C/C0=Q/Q0。
下图显示了常见物质/材料的相对介电常数。 我们可以看到空气的相对介电常数为1（仅非常接近1）。 因此，一般情况下，可以参考与空气的对比试验来确定不同物质的相对介电常数。 相对介电常数。 原则上，相对介电常数越大，我们就越能制造出容量/体积比更大的电容器。 但在实际应用中，会受到很多因素的限制。 相对介电常数只是需要考虑的因素之一。 一方面。 详细内容将在下一章“电容器的分类”中进行分析。
