按照百度百科索引的《电工电子技术工程训练实用教程》的分类，电容有这些作用：耦合、滤波、退耦、高频消振、谐振、旁路、中和、定时、积分、微分、补偿、自举、分频、负载电容。话虽如此，还是要把电路拿出来看看，涉及到模拟电路、放大电路的我不太熟悉，只给大家写写我所用过的电路。
目录
1、电源输出滤波
2、电源供电稳压
3、信号滤波
4、阻抗匹配
5、信号隔离（耦合）
6、掉电保持
7、计时
8、触摸测量
1、电源输出滤波
所有的电子设备都需要供电，大部分电路板供电的根源都是220V交流电，有些电路板会搭载220V转直流的电源模块，有些则在将直流电源模块放在了外部，接到电路板上的已经是直流电压，但不管是板载的还是外接的电源模块，供电的电压和电压纹波都很难满足芯片的需求，因此大部分电路板上都有电源转换芯片，将外部的220V交流电转换为直流电，或者将24V、5V等高一些的电压转换为3.3V、1V等芯片实际需要的低电压。
电压越低，在线缆上的损耗越大，线缆越长，感应电感越大，负载变化时电压跟随的速度越慢，因此芯片的电源最好在同一块电路板上产生，转换完成后的电压可以通过滤波网络做到很低的电源纹波，满足芯片的电源需求。
电源的输出滤波网络较为简单，一般都是一个电感加一个电容，电感一般是电源芯片的拓扑所需要的，并不是专门给滤波网络专用的，但电感本身的特性也恰好可以提供滤波网络所需的参数。
输出滤波一般只要求一个电容的典型值，但也建议多加几个不同容值的电容。下图是金升阳的某款电源模块的datasheet中关于电容选择的内容。
可以看到，对于不同的输入电压，厂家要求使用不同的输入电容，对于输出电容并没有做要求，而是对输出电感提出了2.2uH~10uH的建议。
那电源输出的滤波网络的参数到底该怎么选呢？是越大越好吗？电感值又是怎么计算呢？
这个问题可以从Texas Instrument的电源芯片datasheet里找到方法。下面是LMR14050的datasheet。
在datasheet的第9章，详细的阐述了其外围器件的参数设计过程。
其中，关于输出电容的选择的章节，涉及到电容值计算的公式如下。
由电容的等效电阻产生的纹波
由电感对电容充放电产生的纹波
由负载突变产生的电压突变与电容值的关系
上面的4个公式，前两个表明了纹波与电容的关系，后2个公式，表明了电容值与负载骤降后电压的突变值的关系，因此，由纹波的大小和负载突变后电压跟随的效果，即可推算出理想中的电容容值。
总的来说，电容容值越大越好，电容等效电阻越小越好，但纹波和电压跟随效果也没有做到完美的必要，选择恰好合适的电容，既能实现稳定的电压输出，又能节省成本，因此大致估算电容的容值，再进行实际测试就可以了。
上面的公式，假设只使用了一个电容，但实际上经常出现使用2-3个电容的情况，一是因为容值大的电容经常是铝电解电容，但铝电解电容的等效电阻较大，因此会同时并联一个陶瓷电容或钽电容，既能抑制住纹波，又能降低负载对电压的影响。另外，一个电容最好的滤波频率只有一个点，如果并联多个不同容值的电容，可以在多个频率点上降低纹波的幅度，表现在时域上，能够极大的减小纹波的幅值。
2、电源供电稳压
所有需要消耗功率的器件和芯片，都会从电路板的电源网络获取电压和电流，所谓的电源网络，实物就是电路板的铜板和电路板上的电容，铜板与铜板的参考层构成了一个电容，再加上电路中并联的电源输出电容，共同构成了电源网络本身。
负载在获取功率时会影响电源的电压，为了避免电源输入的电压变化过大，一般都会在芯片的电源引脚很近的地方，布置对应的电容，使得芯片能够就近从电容获取电流，避免电源电压波动的太多。
电容布置的距离一般都是要求越近越好，封装越小的电容，越需要离芯片的引脚靠近，最好是离引脚1-2mm，或者在引脚的正下方，电路板的背面，通过过孔与引脚和电源层连接，封装和容值大一些的电容，则可以稍微离远一些。
对于小功率的芯片，一般在内部功能模块工作，或者外部IO变化时，会发生负载功率的波动，而对于大功率的芯片或者电源转换芯片，电压电流的变化则是始终在进行。
电源转换芯片一般会直接给出推荐电路，要求输入电源的附近布置几个、多少容值的电容，很多其他芯片，也有对电源附近的电容做出要求。下图是STM32单片机对于模拟量电源供电的PCB设计原则，对参考电源指定了电容的1uf和10nf的电容容值，指定了电容的类型为“ceramic（good quality）”（优质陶瓷电容，很好奇什么是不优质的电容）。
STM32单片机在datasheet中描述了对于模拟量电源的要求，但未指定数字电源的电容布置原则，这种时候，硬件工程师一般都会给数字电源的所有引脚加上一个电容。
几十个引脚的单片机，都会有多个GND和VCC引脚，大多是成对布置，均匀的分散在芯片四周，一般要求在每对GND和VCC引脚的电路板背面，放置一个0402封装的0.1uf电容，然后在单片机的电源引脚稍远的位置，放置数个10uf和1uf的电容。
3、信号滤波
一般的数字信号都是通过电压的高低表示0或1，高电压从24V、10V、5V、3.3V、1V等不同的等级都有，低电压则一般设置为0V。芯片内部和芯片之间的通信，基本都是单端的高低电平信号，高则为1，低则为0。
但对于长距离通信，一般都有不同的表示逻辑。
RS232用负电压表示1，正电压表示0，负电压为-3~-15V，正电压为+3~+15V；
RS485用差分信号的高低表示1和0，压差+2~+6表示1，压差-2~-6表示0；
CAN也用差分信号的高低表示1和0，CANH为5V、CANL为0V表示0，CANH为2.5V、CANL为2.5V表示1；
10M以太网则使用曼切斯特编码来表示0或1，从高变低表示0，从低变高表示1，电压摆幅一般为2V，但由于变压器的存在，芯片端电压可能是以0V或3.3V作为基准进行摆动；
100M以太网采用三电平、1000M以太网采用5电平的编码方式，编码的方式稍微复杂一点，具体方式可以参考下面一篇从百度找来的资料。
一不小心写得太多。信号的编码其实跟电容没啥关系，是信号的完整性跟电容有关，对于单端信号，当发射端、传输线、接收端三者阻抗不匹配时，接收端会接受到超调的或不单调的信号，这种时候，可以将电容旁路在信号线与地之间，电容会极大的延缓信号的上升下降沿，也会起到调整特性阻抗的作用。
跑题结束，收~
比如，某芯片采用了10~100nm的CMOS工艺，其IO的上升下降沿只有10ns级别，这种时候外围的电路的接收端口很可能会出现超调的现象，在信号线上旁路一个电容，就可以降低信号电平的沿降速度。
对于不是连续变化的信号，可以使用电容旁路的方法，确保电平单调的变化。
4、阻抗匹配
类似于电阻的阻抗匹配，电容也可以起到阻抗匹配的作用。使用电容进行阻抗匹配时，一般是使用电容将信号线下拉到GND或指定电压。
使用电容进行阻抗匹配的目的，一是由于电容可以起到减缓沿降的作用，二是电容可以隔离直流分量，在差分对的阻抗匹配中，使用电阻加电容的方式进行阻抗匹配，可以避免信号线通过电阻对GND放电，减小信号的直流功率。电容在网口差分线上的应用如下图所示。
KSZ8851SNL的推荐电路图
上图是Microchip公司的KSZ8851SNL芯片的DEMO板上的电路原理图的一部分，完整的原理图可以参见下面的附件。
这个芯片是一个集成了MAC和PHY的接口芯片，支持10M/100M的网口通讯。它的差分对就需要通过50欧姆的电阻和0.1uf的电容进行匹配，电容可以使用2个分别接地，也可以使用1个节省物料。对于某些网口芯片，甚至可以将发送和接收2对差分信号使用同一个接地电容。
5、信号隔离（耦合）
信号存在的目的是通信，即交换信息，但某些通信为了避免强电损坏弱电电路或者避免较长的线路收到干扰，需要在通信的同时实现物理上的隔离。最常见的隔离器件是光电耦合器，近年也出现了磁隔和容隔器件。
光耦
ADI的磁隔
TI的容隔
光耦、磁隔、容隔，都是用于数字信号的隔离和传递用的，某些光耦还可以用于一些模拟信号的传递，但磁隔和容隔只能用于数字信号的传递。
电容本身其实就具备隔离和传递信号的作用，但直接应用时只能用于传递交流信号，如果是变化缓慢的高低电平信号，通过电容传递后只能看到信号跳变一瞬间所产生的尖峰，但如果是频率较高的交流信号，电容则可以几乎无延迟无衰变的将交流成分完整的传递过去。
我遇见过一个应用场景，2个网口PHY芯片，需要在板上实现差分对的互联，正常来说，PHY芯片发出的已经是10M/100M的差分对信号，需要外接变压器和网口连接器才能发送到另一端的PHY芯片上，但由于是板内的通信，再加上2对变压器、连接器、网线，自然显得无比的愚蠢，这种情况下，理论上是可以将2个网口的TX和RX差分对直接交叉互联即可，前提是2个芯片的差分发送器和接收器的电气参数兼容。
如果芯片的差分发送器的基准电压不同或者一个是电流型、一个是电压型，则必定不可以直接互联，这种时候就需要在差分信号互联的时候，在信号线中间串联上电容。比如前文提到的KSZ8851SNL的差分信号的基准电压就是3.3V，而很多其他的PHY芯片的基准电压是0V，这种时候如果将2个PHY的差分信号互联，KSZ8851SNL的差分线电压会被拉到0V，导致差分信号的发送器无法工作。
网线差分信号的电容串联
低速的数字信号无法使用这种方式，因为电容在信号频率较低时的阻抗较大，会导致信号幅度衰减、相位延迟，但10M和100M的网口的信号频率较高，经过0.1uf电容后信号的交流成分几乎是完全一致的，解决了电容两边的直流电压不同，无法直连的问题。
6、掉电保持
电路板的电容在掉电时可以减缓电压下降的速度，对于某些存储设备，如果在写入的过程中掉电，极有可能损坏存储芯片。对于没有UPS的硬件系统，存储芯片在意外掉电时需要几十ms的时间进行读写停止。通过对供电电压进行检测，可以提前一小段时间进行退出读写的操作，防止硬件损坏。
一般的电源芯片，会有几十到几百uf的输出电容，对于额定的供电电流，可以按照电容的放电公式估计出可以保持的时间。
C=(Vwork + Vmin)*I*t/(Vwork^2 – Vmin^2)
假设在5V上有100uf的电容，通过5V转换为3.3V实现供电，5V的额定电流为100mA，5V掉到3.3V后电源关断，则估算出从掉电开始到电源关断的保持时间约为1.7ms。
1ms级别的时间，很难保证能够停止存储芯片的读写操作，如果要增大掉电保持的时间至10倍，则需要将电容增大10倍，100uf的电容增大10倍至1000uf，电容的体积也需要相应的增大10倍，因此，纯粹靠增大电容的方式实现延迟掉电功能，最好使用超级电容，而不是直接增大贴片电容或铝电解电容的个数。
我在上一篇文章里描述了超级电容的规格，如果在5V电源上并联上超级电容，就可以利用超级电容实现5V到3.3V的掉电保持，但需要注意的是，超级电容的额定电流小，在上电时如果电压直接从0V跳变为5V，超级电容的充电电流会相当大，容易损坏电容，因此需要增加一个超级电容的缓起电阻，但放电时又不能让缓起电阻分压，需要再增加一个放电的二极管。
7、计时
在大学里有个经典的555芯片搭建的振荡电路，可以通过电阻对电容的充放电，实现指定周期的方波发生器，如果将电阻或电容更换成可变电阻或可变电容，即可实现可调周期的方波发生器。具体的电路参见下面的链接。
分频是很容易实现的，将主频通过一个计时器，修改计时器的计数值，即可实现任意整数倍数的分频，但倍频电路的实现会难一些。我曾经遇到过一个倍频电路设计的问题，利用到了RC电路的延时功能，虽然实际的应用中一般通过锁相环电路实现倍频，但这个电路的设计思路还是很有意思。
8、触摸测量
说起电容的触摸测量应用，大家都会想到手机的电容触摸屏。最早的触摸屏技术，应用的是电阻触摸屏，但电阻触摸屏需要有较大的按压力，手感不如电容的好，并且手机屏幕如果有形变不利于保持表面硬度，所以手机前几年基本抛弃了电阻触摸屏（想起了我高中买的带电阻触摸屏和WLAN的诺基亚手机）。
现在的手机触摸屏，把触摸感应的部件放到了液晶屏组件内部，极大地减小了体积，但手机屏幕产量大，才能做到价格不贵，普通的工业应用，屏幕要求大，很少能用到手机屏幕的电容触摸屏技术。
电阻触摸屏有四线、五线、七线、八线等不同的规格，其检测技术还是比较直观的。
我接触过一款TI的CPU，这款芯片集成了4/5/8线的电阻触摸屏的接口，不用任何的外围电路，只要连好了线、设置好了驱动即可直接得到触摸屏的测量值。
CPU自带的触摸屏控制器原理框图
跑题结束，收~
电容触摸屏的原理和电阻触摸屏有类似的地方，也是检测触摸点到边框的位置，通过电容的变化计算出触摸点到各边的距离。电阻触摸屏是通过施加电压，测量分压值，计算电阻值，而电容需要通过震荡时充放电的时间来测量容值，相比之下，电容的测量方式稍微复杂一点，对于手机普遍使用的多点触控电容屏，则更为复杂。
在工业产品中使用的触摸屏，一般都不是集成在液晶屏模组里的，而是独立的一片玻璃，其检测电路也是单独的一块PCB或FPC，需要通过连接器再接入主控板。下图是2种形式的电容触摸屏及其检测电路。
可以想象，手机里是完全不可能放下这么大的电路板的，因此工业常用的触摸屏和手机触摸屏的技术还是差距很大的。
电容触摸测量，除了手机的电容触摸屏，有些开关也用到了。大家应该接触过类似的开关，摸一下开关的触控部位，就能开关一些照明灯或类似的电器。
要自己设计电路，通过检测振荡电路的周期来测量电容值，电路还是挺复杂的，再加上计时的周期不线性的对应电容容值，触摸的识别和滤波，这些算法也需要一定的实验和调整。最近接触到了一款国产的电容触摸屏芯片，买了他家的一款小板子，用起来还是很有意思的。芯片叫TTP223N，是台湾一家公司生产的。公司官网、芯片资料如下。
这个芯片很简单，配置好几个引脚的上下拉，加4个电容就可以使用，检测1个引脚外接的“平板”即可，这个“平板”可以是PCB的铜层，也可以是一个金属外壳。只要用手接近或触摸“平板”，就能稳定的触发一次开关的动作，触发后芯片会输出一个脉冲，也可以设置为输出一次电平变化。
想象一个台灯，有一个裸露的金属板，将这个金属板接到这个芯片的引脚上，这个金属板就成为了一个触控开关，摸一下灯亮了，再摸一下灯灭了，nice~
实际买到的demo板的外形如下。
电容测量的原理很容易理解，通过震荡电路的并联电容进行充放电，测量充电的周期，从而计算出外部并联电容的大小，如果电容改变了，则认为被人触摸到了。具体的判断逻辑稍微复杂一些，保证了判断触摸的可靠性。
以上就是我所了解的电容的应用，下一篇再侃侃电容的其他知识~