电路学习（二）之电容
电容的基本功能是通交流隔直流、存储电量，在电路中可以进行滤波、充放电。
1.什么是电容？
（1）电容定义：电容器代表了器件存储电荷的能力，通俗来理解是两块不连通的导体与绝缘的中间体组成。当给电容充电时，导体上的电荷会泵到两个极板上，形成电场。而当电源断开时，两个极板上的电荷依然停留在极板上，此时电容相当于电源，可以进行放电。
（2）电容特性：
① 电容两端的相对电压不能图变，但是电容两端的电压可以特变。此特性常用来制作自举电路，提高MOS管源极电压。
比如一开始电容上端相对于电容下端的电压为6V（电容下端接地），而突然将电容下端电压变成6V。此时，由于电容两端的相对电压不能突变（一开始电容上端相对于电容下端电压为6V），所以电容上端电压被抬升到12V（12-6 = 6）。在这个过程中电容两端的电压发生了突变，但是电容两端的相对电压（电容上端相对于电容下端电压）无法突变。
② 电容通交流隔直流。此特性常用来滤波、去耦合与旁路、储能。
直流电的方向和大小都不会改变，当直流电给电容充电时，直到电容两端电压与电源相等时，电荷无法流动，直流电不能通过。交流电的大小和方向在周期性变化，当给电容接入交流电时，电容极板两端的电荷在不断充电和放电，从而形成持续的电流。
对于交流电：当电源电压升高时，电容充电；当电源电压下降时，电容放电；当电源电压反向时，电容再次充电。
（2）容抗公式：
其中f为电流频率，c为电容值，可以看出，频率f越大，则电容阻值越大。容抗与普通电阻一样可以限制电流通过。
电容值公式：
其中，Q为u电容极板上的电荷量，U为电容两端电压。容值一般由电容物料材料而确定，不随电压或电流而改变。器件上标注的10uF便是指电容值。
（3）电容单位：
电容单位为“法拉”（F）。
1法拉（F）= 1000毫法（mF）= 1000 000微法（uF）；
1微法（uF）= 1000纳法（nF）= 1000 000皮法（pF）。
（4）电容符号：
2.电容分类？
电容大体可分为电解电容和普通电容，电解电容有正负极，若接反了，可能会导致电容爆炸。普通电容没有正负极。
电解电容：容量大，内阻低。常用于电源滤波、去耦的低频电路。比如用作电源旁边进行滤波。常见的电解电容有铝电解电容、钽电容、固态电解电容、无极性电解电容。
普通电容：无极性连接要求。比如用于在高频电路中滤波、去耦合。常见的普通电容有陶瓷电容、薄膜电容、纸介电容、云母电容、独石电容。
当然通常对电路要求不是非常严格的情况下，电解电容和普通电容可以混合使用。
3.电容常见作用：
（1）储能。电容可以充电，像一个水池吸收外部的电流。类似于水流过小水池，只有当水池被装满了以后，电流才能继续往前流通。
电容充电时间常数：
其中R是电阻，C为电容容值。
利用电容的储能特性可以实现关断延时，比如在单片机复位时，电容实现单片机上电时的复位延时。
在下图仿真中，只有当电容充满电后，LED才会被点亮。开关断开后，只有当电容放电后，LED才会慢慢熄灭。从图中示波器可以看出，在开关关闭和断开过程中，LED两端的电压都是缓慢变化的，从而实现了延时效果。
若是没有电容，则LED两端的电压是快速变化的：
（2）降压。电容稳压是利用了容抗分压的原理，在交流信号中，可以将电容与负载串联进行分压，防止太大的电流通过负载而损坏负载。相比较与电阻分压，电容几乎不消耗功率，不会发热。电阻则需要消耗功率，发热。图中与C2并联的R2的作用是当开关断开后，电容可以通过此回路进行放电，而不会继续影响后面的负载。
从下图中可以看出当开关断开后，电容通过R2回路进行放电，因此，LED两端的电压迅速变为0。
而若没有R2回路，则LED两端的电压会慢慢变化，因为此时电容相当于电源继续给LED提高电压。
（3）稳压与去耦电容。稳压利用电容充放电的特性，去耦，电容的稳压作用常用在给芯片供电的电源附件，防止芯片供电电压发生突变，此时电容充当去耦合与旁路的作用。
耦合是指电路中与期望消耗混在一起的其他信号，比如在给单片机供电时，需要的是直流信号，而当电源被干扰，供电发生变化时，电流也发生变化，此时便产生了耦合信号对后级电路造成影响。因此需要电容去耦合，防止电压、电流突变。这里的电容同时承担去耦合与稳压的作用，在电源电压降低时，由电容继续给单片机提供稳定电压。
如下图的仿真电路图中，开关S4闭合时，先给电容充电，R4两端电压缓慢升高。而当S4断开时，电容充当电源继续供电，防止R4两端的电压突然降低为0。
如下图所示，当没有增加去耦电容滤除直流信号时，负载两端的电压由交流信号与直流信号叠加而成：
当增加去耦电容后，便可以降低其中耦合的直流信号：
去耦电容也在常用在放大电路中去除直流信号，而通过交流信号。
（4）旁路电容。旁路电容与去耦电容的作用类似，一般去耦电容是滤除低频信号，而旁路电容是滤除高频交流信号。旁路电容常放置在芯片供电附近，滤除高频干扰信号。比如给单片机供电时，会在电源引脚处放置一个0.1uF的旁路电容滤除高频干扰信号。
如下图所示的仿真电路图中，当开关闭合断开时，电压被放大器放大约2倍，而当开关闭合后，高频部分电流通过电容接地，因此电压的幅度降低，达到滤除高频信号的目的。因为仿真中不能将信号频率调得太高，所以这里将电容值取得高一点，原理是相同（电容容抗计算公式）。在容值不变时，频率越高，则容抗越低，可以有更多的电流通过电容接地。
（5）RC低通滤波器。RC低通滤波器可以滤除高于截止频率的信号（降低高频信号幅度），而低频信号不受影响，由电阻和电容组成，其原理是电容容抗与分压，以及充放电特性。
从分压角度来理解，在如下的电路图中，由容抗公式可知，当频率越高时，容抗越低，则后级电路的分压越小；频率越高，容抗越大，则后级电路分得的电压越大。
从物理角度理解，电容充放电需要时间。对于高频信号，在电容没有充满电时，信号又发生了变化，电容还没有达到输入电压值就立刻下降；而频率较低时，电容充电速度可以跟得上电压变化速度，因此电容两端电压可以达到输入电压值。
RC低通滤波器的截止频率为：
如同所示的电路图，根据截止频率计算可知，当前截止频率为1KHz，因此当输入信号等于1KHz时，会产生-3db的衰减，即幅值为信号的0.707左右。下图没有完全测到0.707V是因为示波器仿真精度不够。
当输入信号频率小于截止频率1k时，信号不会发生衰减：
当输入信号频率大于截止频率时，会产生更大的衰减：
（6）RC高通滤波器。RC高通滤波器与RC低通滤波器原理一致，都是利用了电容的充放电、容抗、分压原理。但是，RC高通滤波器滤除的是低频信号，通过的是高频信号。截止频率计算公式也相同。
当输入信号频率等于截止频率时，约0.707被的衰减：
当输入信号大于截止频率时，不产生衰减：
当输入信号小于截止频率时，产生更大衰减：
4.总结：
电容在电路中常用来实现稳压、滤波、去耦、旁路等作用，不同类型的电容适用的场景不同，在设计电路图时需要灵活的选择电容，组成不同的电容电路。