按照百度百科索引的《電工電子技術工程訓練實用教程》的分類，電容有這些作用：耦合、濾波、退耦、高頻消振、諧振、旁路、中和、定時、積分、微分、補償、自舉、分頻、負載電容。話雖如此，還是要把電路拿出來看看，涉及到模擬電路、放大電路的我不太熟悉，只給大家寫寫我所用過的電路。
目錄
1、電源輸出濾波
2、電源供電穩(wěn)壓
3、信號濾波
4、阻抗匹配
5、信號隔離（耦合）
6、掉電保持
7、計時
8、觸摸測量
1、電源輸出濾波
所有的電子設備都需要供電，大部分電路板供電的根源都是220V交流電，有些電路板會搭載220V轉直流的電源模塊，有些則在將直流電源模塊放在了外部，接到電路板上的已經(jīng)是直流電壓，但不管是板載的還是外接的電源模塊，供電的電壓和電壓紋波都很難滿足芯片的需求，因此大部分電路板上都有電源轉換芯片，將外部的220V交流電轉換為直流電，或者將24V、5V等高一些的電壓轉換為3.3V、1V等芯片實際需要的低電壓。
電壓越低，在線纜上的損耗越大，線纜越長，感應電感越大，負載變化時電壓跟隨的速度越慢，因此芯片的電源最好在同一塊電路板上產(chǎn)生，轉換完成后的電壓可以通過濾波網(wǎng)絡做到很低的電源紋波，滿足芯片的電源需求。
電源的輸出濾波網(wǎng)絡較為簡單，一般都是一個電感加一個電容，電感一般是電源芯片的拓撲所需要的，并不是專門給濾波網(wǎng)絡專用的，但電感本身的特性也恰好可以提供濾波網(wǎng)絡所需的參數(shù)。
輸出濾波一般只要求一個電容的典型值，但也建議多加幾個不同容值的電容。下圖是金升陽的某款電源模塊的datasheet中關于電容選擇的內容。
可以看到，對于不同的輸入電壓，廠家要求使用不同的輸入電容，對于輸出電容并沒有做要求，而是對輸出電感提出了2.2uH~10uH的建議。
那電源輸出的濾波網(wǎng)絡的參數(shù)到底該怎么選呢？是越大越好嗎？電感值又是怎么計算呢？
這個問題可以從Texas Instrument的電源芯片datasheet里找到方法。下面是LMR14050的datasheet。
在datasheet的第9章，詳細的闡述了其外圍器件的參數(shù)設計過程。
其中，關于輸出電容的選擇的章節(jié)，涉及到電容值計算的公式如下。
由電容的等效電阻產(chǎn)生的紋波
由電感對電容充放電產(chǎn)生的紋波
由負載突變產(chǎn)生的電壓突變與電容值的關系
上面的4個公式，前兩個表明了紋波與電容的關系，后2個公式，表明了電容值與負載驟降后電壓的突變值的關系，因此，由紋波的大小和負載突變后電壓跟隨的效果，即可推算出理想中的電容容值。
總的來說，電容容值越大越好，電容等效電阻越小越好，但紋波和電壓跟隨效果也沒有做到完美的必要，選擇恰好合適的電容，既能實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，又能節(jié)省成本，因此大致估算電容的容值，再進行實際測試就可以了。
上面的公式，假設只使用了一個電容，但實際上經(jīng)常出現(xiàn)使用2-3個電容的情況，一是因為容值大的電容經(jīng)常是鋁電解電容，但鋁電解電容的等效電阻較大，因此會同時并聯(lián)一個陶瓷電容或鉭電容，既能抑制住紋波，又能降低負載對電壓的影響。另外，一個電容最好的濾波頻率只有一個點，如果并聯(lián)多個不同容值的電容，可以在多個頻率點上降低紋波的幅度，表現(xiàn)在時域上，能夠極大的減小紋波的幅值。
2、電源供電穩(wěn)壓
所有需要消耗功率的器件和芯片，都會從電路板的電源網(wǎng)絡獲取電壓和電流，所謂的電源網(wǎng)絡，實物就是電路板的銅板和電路板上的電容，銅板與銅板的參考層構成了一個電容，再加上電路中并聯(lián)的電源輸出電容，共同構成了電源網(wǎng)絡本身。
負載在獲取功率時會影響電源的電壓，為了避免電源輸入的電壓變化過大，一般都會在芯片的電源引腳很近的地方，布置對應的電容，使得芯片能夠就近從電容獲取電流，避免電源電壓波動的太多。
電容布置的距離一般都是要求越近越好，封裝越小的電容，越需要離芯片的引腳靠近，最好是離引腳1-2mm，或者在引腳的正下方，電路板的背面，通過過孔與引腳和電源層連接，封裝和容值大一些的電容，則可以稍微離遠一些。
對于小功率的芯片，一般在內部功能模塊工作，或者外部IO變化時，會發(fā)生負載功率的波動，而對于大功率的芯片或者電源轉換芯片，電壓電流的變化則是始終在進行。
電源轉換芯片一般會直接給出推薦電路，要求輸入電源的附近布置幾個、多少容值的電容，很多其他芯片，也有對電源附近的電容做出要求。下圖是STM32單片機對于模擬量電源供電的PCB設計原則，對參考電源指定了電容的1uf和10nf的電容容值，指定了電容的類型為“ceramic（good quality）”（優(yōu)質陶瓷電容，很好奇什么是不優(yōu)質的電容）。
STM32單片機在datasheet中描述了對于模擬量電源的要求，但未指定數(shù)字電源的電容布置原則，這種時候，硬件工程師一般都會給數(shù)字電源的所有引腳加上一個電容。
幾十個引腳的單片機，都會有多個GND和VCC引腳，大多是成對布置，均勻的分散在芯片四周，一般要求在每對GND和VCC引腳的電路板背面，放置一個0402封裝的0.1uf電容，然后在單片機的電源引腳稍遠的位置，放置數(shù)個10uf和1uf的電容。
3、信號濾波
一般的數(shù)字信號都是通過電壓的高低表示0或1，高電壓從24V、10V、5V、3.3V、1V等不同的等級都有，低電壓則一般設置為0V。芯片內部和芯片之間的通信，基本都是單端的高低電平信號，高則為1，低則為0。
但對于長距離通信，一般都有不同的表示邏輯。
RS232用負電壓表示1，正電壓表示0，負電壓為-3~-15V，正電壓為+3~+15V；
RS485用差分信號的高低表示1和0，壓差+2~+6表示1，壓差-2~-6表示0；
CAN也用差分信號的高低表示1和0，CANH為5V、CANL為0V表示0，CANH為2.5V、CANL為2.5V表示1；
10M以太網(wǎng)則使用曼切斯特編碼來表示0或1，從高變低表示0，從低變高表示1，電壓擺幅一般為2V，但由于變壓器的存在，芯片端電壓可能是以0V或3.3V作為基準進行擺動；
100M以太網(wǎng)采用三電平、1000M以太網(wǎng)采用5電平的編碼方式，編碼的方式稍微復雜一點，具體方式可以參考下面一篇從百度找來的資料。
一不小心寫得太多。信號的編碼其實跟電容沒啥關系，是信號的完整性跟電容有關，對于單端信號，當發(fā)射端、傳輸線、接收端三者阻抗不匹配時，接收端會接受到超調的或不單調的信號，這種時候，可以將電容旁路在信號線與地之間，電容會極大的延緩信號的上升下降沿，也會起到調整特性阻抗的作用。
跑題結束，收~
比如，某芯片采用了10~100nm的CMOS工藝，其IO的上升下降沿只有10ns級別，這種時候外圍的電路的接收端口很可能會出現(xiàn)超調的現(xiàn)象，在信號線上旁路一個電容，就可以降低信號電平的沿降速度。
對于不是連續(xù)變化的信號，可以使用電容旁路的方法，確保電平單調的變化。
4、阻抗匹配
類似于電阻的阻抗匹配，電容也可以起到阻抗匹配的作用。使用電容進行阻抗匹配時，一般是使用電容將信號線下拉到GND或指定電壓。
使用電容進行阻抗匹配的目的，一是由于電容可以起到減緩沿降的作用，二是電容可以隔離直流分量，在差分對的阻抗匹配中，使用電阻加電容的方式進行阻抗匹配，可以避免信號線通過電阻對GND放電，減小信號的直流功率。電容在網(wǎng)口差分線上的應用如下圖所示。
KSZ8851SNL的推薦電路圖
上圖是Microchip公司的KSZ8851SNL芯片的DEMO板上的電路原理圖的一部分，完整的原理圖可以參見下面的附件。
這個芯片是一個集成了MAC和PHY的接口芯片，支持10M/100M的網(wǎng)口通訊。它的差分對就需要通過50歐姆的電阻和0.1uf的電容進行匹配，電容可以使用2個分別接地，也可以使用1個節(jié)省物料。對于某些網(wǎng)口芯片，甚至可以將發(fā)送和接收2對差分信號使用同一個接地電容。
5、信號隔離（耦合）
信號存在的目的是通信，即交換信息，但某些通信為了避免強電損壞弱電電路或者避免較長的線路收到干擾，需要在通信的同時實現(xiàn)物理上的隔離。最常見的隔離器件是光電耦合器，近年也出現(xiàn)了磁隔和容隔器件。
光耦
ADI的磁隔
TI的容隔
光耦、磁隔、容隔，都是用于數(shù)字信號的隔離和傳遞用的，某些光耦還可以用于一些模擬信號的傳遞，但磁隔和容隔只能用于數(shù)字信號的傳遞。
電容本身其實就具備隔離和傳遞信號的作用，但直接應用時只能用于傳遞交流信號，如果是變化緩慢的高低電平信號，通過電容傳遞后只能看到信號跳變一瞬間所產(chǎn)生的尖峰，但如果是頻率較高的交流信號，電容則可以幾乎無延遲無衰變的將交流成分完整的傳遞過去。
我遇見過一個應用場景，2個網(wǎng)口PHY芯片，需要在板上實現(xiàn)差分對的互聯(lián)，正常來說，PHY芯片發(fā)出的已經(jīng)是10M/100M的差分對信號，需要外接變壓器和網(wǎng)口連接器才能發(fā)送到另一端的PHY芯片上，但由于是板內的通信，再加上2對變壓器、連接器、網(wǎng)線，自然顯得無比的愚蠢，這種情況下，理論上是可以將2個網(wǎng)口的TX和RX差分對直接交叉互聯(lián)即可，前提是2個芯片的差分發(fā)送器和接收器的電氣參數(shù)兼容。
如果芯片的差分發(fā)送器的基準電壓不同或者一個是電流型、一個是電壓型，則必定不可以直接互聯(lián)，這種時候就需要在差分信號互聯(lián)的時候，在信號線中間串聯(lián)上電容。比如前文提到的KSZ8851SNL的差分信號的基準電壓就是3.3V，而很多其他的PHY芯片的基準電壓是0V，這種時候如果將2個PHY的差分信號互聯(lián)，KSZ8851SNL的差分線電壓會被拉到0V，導致差分信號的發(fā)送器無法工作。
網(wǎng)線差分信號的電容串聯(lián)
低速的數(shù)字信號無法使用這種方式，因為電容在信號頻率較低時的阻抗較大，會導致信號幅度衰減、相位延遲，但10M和100M的網(wǎng)口的信號頻率較高，經(jīng)過0.1uf電容后信號的交流成分幾乎是完全一致的，解決了電容兩邊的直流電壓不同，無法直連的問題。
6、掉電保持
電路板的電容在掉電時可以減緩電壓下降的速度，對于某些存儲設備，如果在寫入的過程中掉電，極有可能損壞存儲芯片。對于沒有UPS的硬件系統(tǒng)，存儲芯片在意外掉電時需要幾十ms的時間進行讀寫停止。通過對供電電壓進行檢測，可以提前一小段時間進行退出讀寫的操作，防止硬件損壞。
一般的電源芯片，會有幾十到幾百uf的輸出電容，對于額定的供電電流，可以按照電容的放電公式估計出可以保持的時間。
C=(Vwork + Vmin)*I*t/(Vwork^2 – Vmin^2)
假設在5V上有100uf的電容，通過5V轉換為3.3V實現(xiàn)供電，5V的額定電流為100mA，5V掉到3.3V后電源關斷，則估算出從掉電開始到電源關斷的保持時間約為1.7ms。
1ms級別的時間，很難保證能夠停止存儲芯片的讀寫操作，如果要增大掉電保持的時間至10倍，則需要將電容增大10倍，100uf的電容增大10倍至1000uf，電容的體積也需要相應的增大10倍，因此，純粹靠增大電容的方式實現(xiàn)延遲掉電功能，最好使用超級電容，而不是直接增大貼片電容或鋁電解電容的個數(shù)。
我在上一篇文章里描述了超級電容的規(guī)格，如果在5V電源上并聯(lián)上超級電容，就可以利用超級電容實現(xiàn)5V到3.3V的掉電保持，但需要注意的是，超級電容的額定電流小，在上電時如果電壓直接從0V跳變?yōu)?V，超級電容的充電電流會相當大，容易損壞電容，因此需要增加一個超級電容的緩起電阻，但放電時又不能讓緩起電阻分壓，需要再增加一個放電的二極管。
7、計時
在大學里有個經(jīng)典的555芯片搭建的振蕩電路，可以通過電阻對電容的充放電，實現(xiàn)指定周期的方波發(fā)生器，如果將電阻或電容更換成可變電阻或可變電容，即可實現(xiàn)可調周期的方波發(fā)生器。具體的電路參見下面的鏈接。
分頻是很容易實現(xiàn)的，將主頻通過一個計時器，修改計時器的計數(shù)值，即可實現(xiàn)任意整數(shù)倍數(shù)的分頻，但倍頻電路的實現(xiàn)會難一些。我曾經(jīng)遇到過一個倍頻電路設計的問題，利用到了RC電路的延時功能，雖然實際的應用中一般通過鎖相環(huán)電路實現(xiàn)倍頻，但這個電路的設計思路還是很有意思。
8、觸摸測量
說起電容的觸摸測量應用，大家都會想到手機的電容觸摸屏。最早的觸摸屏技術，應用的是電阻觸摸屏，但電阻觸摸屏需要有較大的按壓力，手感不如電容的好，并且手機屏幕如果有形變不利于保持表面硬度，所以手機前幾年基本拋棄了電阻觸摸屏（想起了我高中買的帶電阻觸摸屏和WLAN的諾基亞手機）。
現(xiàn)在的手機觸摸屏，把觸摸感應的部件放到了液晶屏組件內部，極大地減小了體積，但手機屏幕產(chǎn)量大，才能做到價格不貴，普通的工業(yè)應用，屏幕要求大，很少能用到手機屏幕的電容觸摸屏技術。
電阻觸摸屏有四線、五線、七線、八線等不同的規(guī)格，其檢測技術還是比較直觀的。
我接觸過一款TI的CPU，這款芯片集成了4/5/8線的電阻觸摸屏的接口，不用任何的外圍電路，只要連好了線、設置好了驅動即可直接得到觸摸屏的測量值。
CPU自帶的觸摸屏控制器原理框圖
跑題結束，收~
電容觸摸屏的原理和電阻觸摸屏有類似的地方，也是檢測觸摸點到邊框的位置，通過電容的變化計算出觸摸點到各邊的距離。電阻觸摸屏是通過施加電壓，測量分壓值，計算電阻值，而電容需要通過震蕩時充放電的時間來測量容值，相比之下，電容的測量方式稍微復雜一點，對于手機普遍使用的多點觸控電容屏，則更為復雜。
在工業(yè)產(chǎn)品中使用的觸摸屏，一般都不是集成在液晶屏模組里的，而是獨立的一片玻璃，其檢測電路也是單獨的一塊PCB或FPC，需要通過連接器再接入主控板。下圖是2種形式的電容觸摸屏及其檢測電路。
可以想象，手機里是完全不可能放下這么大的電路板的，因此工業(yè)常用的觸摸屏和手機觸摸屏的技術還是差距很大的。
電容觸摸測量，除了手機的電容觸摸屏，有些開關也用到了。大家應該接觸過類似的開關，摸一下開關的觸控部位，就能開關一些照明燈或類似的電器。
要自己設計電路，通過檢測振蕩電路的周期來測量電容值，電路還是挺復雜的，再加上計時的周期不線性的對應電容容值，觸摸的識別和濾波，這些算法也需要一定的實驗和調整。最近接觸到了一款國產(chǎn)的電容觸摸屏芯片，買了他家的一款小板子，用起來還是很有意思的。芯片叫TTP223N，是臺灣一家公司生產(chǎn)的。公司官網(wǎng)、芯片資料如下。
這個芯片很簡單，配置好幾個引腳的上下拉，加4個電容就可以使用，檢測1個引腳外接的“平板”即可，這個“平板”可以是PCB的銅層，也可以是一個金屬外殼。只要用手接近或觸摸“平板”，就能穩(wěn)定的觸發(fā)一次開關的動作，觸發(fā)后芯片會輸出一個脈沖，也可以設置為輸出一次電平變化。
想象一個臺燈，有一個裸露的金屬板，將這個金屬板接到這個芯片的引腳上，這個金屬板就成為了一個觸控開關，摸一下燈亮了，再摸一下燈滅了，nice~
實際買到的demo板的外形如下。
電容測量的原理很容易理解，通過震蕩電路的并聯(lián)電容進行充放電，測量充電的周期，從而計算出外部并聯(lián)電容的大小，如果電容改變了，則認為被人觸摸到了。具體的判斷邏輯稍微復雜一些，保證了判斷觸摸的可靠性。
以上就是我所了解的電容的應用，下一篇再侃侃電容的其他知識~