2.3.2 实际电路中的电容

实际的电容除了容值、耐压、温度系数等，还需要考虑材质、等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）、损耗因数、漏电流等。

这里仿真一个开关电源的电路，电容的ESR影响输出电压的仿真如图2.3.1所示。一个恒流400mA的电流源向电容充电，连接2Ω的负载，将C1的10μF电容设置ESR为500mΩ。仿真电路里有使用开关，LTspice支持Voltage Controlled Switch，也支持Current Controlled Switch。这里使用的是电压控制型开关，具体可以查看LTspice的文档（在LTspice界面按F1快捷键即可打开帮助文档Help Topics）。

图2.3.1 电容的ESR影响输出电压的仿真

注意图2.3.1所示的仿真结果中，在放电的瞬间，电压是直接跌落，而不是呈指数下降，与理想的放电曲线不符合。实际上，因为电容内部存在ESR，当负载电阻很小，数量级与ESR相当时，就能在电容放电时看到这一现象。在放电的瞬间，ESR和负载电阻构成了分压电路，所以电压瞬间跌落，而不是指数下降。某些时候，电容的ESR会影响到最终的测量结果。

有些测试条件中没有提到电容，但是实际电路中还是需要一些退耦电容或者补偿电容。由于测试线路通常需要连接比较长的连线，长导线的寄生等效电容较大，就等效连接了一个较大的负载电容。这些等效电容非常容易形成振荡或者振铃效应。

这里仿真一个缓冲器，连接电容负载，缓冲器连接电容负载的振铃效应如图2.3.2所示。当运放的输出电流越大，输出摆率越高时，越容易引发振铃效应。

图2.3.2 缓冲器连接电容负载的振铃效应

这里仿真的运放输出摆率不够快，因此加大了负载电容。某些运放，几皮法的电容就足以引发振荡。所以通常需要在运放的电源端加退耦电容，并且在输出端串联隔离电阻来抑制振铃效应，缓冲器增加隔离电阻抑制振铃效应如图2.3.3所示。

图2.3.3 缓冲器增加隔离电阻抑制振铃效应

流过电容的电流可以瞬间变化很大，而电容两端的电压不会瞬间变化很大。这就导致了电路交流通路和直流通路的不同。比如1mV/10kHz的正弦信号（模拟纹波干扰）叠加在5V的直流通路上，负载是10kΩ的电阻并联10μF的电容，电容对纹波电流的影响的仿真电路及仿真结果如图2.3.4所示。

图2.3.4 电容对纹波电流的影响仿真电路和仿真结果

从仿真结果可以看到，电容上的电流与电阻上的电流差异很大。电阻上的直流电流为5V/10kΩ=500μA，纹波电流为1mV/10kΩ=100nA（约为直流电流的0.02%，可以忽略不计），而电容上则直流电流为0A，纹波电流为1mV/（1/（2×π×10kHz×10μF））=628μA。

从源端来看，输出电流在500μA±628μA之间波动，如果测量的采样率大于10kHz，那么执行单次测量，数据的波动全距（最大值-最小值）就会达到2倍的电容纹波电流。但如果测量时间是一个纹波的周期，那么平均下来就只有直流电流了。所以ATE一般对于存在纹波干扰的测试，可以执行纹波周期整数倍的时间测量，通过计算平均值来消除纹波的干扰，也就是数字信号处理中的均值滤波。

电容除了交流电流以外，直流的情况下也存在微小的漏电流，漏电流计算公式为I=kCU，式中，I是电流（A），k是系数，C是电容容量（F），U是电容的额定电压（V）。某些情况下，直流漏电流也会对测试结果造成比较明显的误差。一般高压漏电测试，都不允许在引脚处连接电容，一方面影响高压上升的速度，另一方面就是电容本身存在直流漏电流。测试电路通常会使用继电器来控制大电容的连接。这里特别需要注意一点，大容量电容（μF级别以上的容量）通常储存的电荷量比较大，因此通常需要额外的电路进行放电。一般情况下使用单刀双掷继电器，当电容不连接到电路时，可以连接一个电阻到地线进行放电。

在测试电路中，因为每个DUT是连续测试的，要确保每个DUT进入测试电路时，测试电路的状态都是相同的，所以，特别需要注意电容元件的储能的影响，电容电路一定要有放电通路。

最后简单说明一下电容材质问题，在使用电容时，可以在网络上搜索所需要的功能对应的电容材质。比如滤波电路在不同的频率范围，不同的耐压范围，有不同的电容材质可以选择，如多层陶瓷电容、铝电解电容、钽电容、独石电容、薄膜电容、涤纶电容等。