为什么电路中要配合使用大电容和小电容?如何区分去耦电容和旁路电容?

百科   2024-11-23 10:29   北京  

一、电容的阻抗特性

理想情况下,电容的阻抗随频率的增加而降低。然而,实际电容因引脚的分布电感效应而不是完全的理想电容。当频率超过电容的自谐振频率(FSR)时,电容的阻抗表现出电感特性,导致其在高频下的阻抗反而增加。


以下是一些电容值与其对应的谐振频率(仅供参考)


二、在数字电路中,每个芯片的电源引脚上通常会并联一个0.1uF的电容到地,这种电容也被称为去耦电容(或滤波电容),其目的是滤除高频信号。电容应该尽可能靠近芯片,以提高滤波效果。


可以把电容想象成一个漏水的容器,而交流电的峰值到来就像是往容器里加水。如果容器漏水的速度是固定的,那么频繁加水时(高频信号)需要一个较小的容器(小电容),以保持水位稳定;而在加水次数较少的情况下(低频信号),则需要一个较大的容器(大电容),以减少因漏水导致的水位下降。这样,通过合适的电容选择,可以更好地维持电源的稳定性和滤波效果。


三、为什么电路中要配合使用大电容和小电容?

在电源滤波中,选择合适的电容至关重要。为什么常见电路中都是大电容和小电容搭配起来使用呢?
1.大电容的特点
体积大:大电容通常具有较大的体积,并采用多层卷绕的结构,这样会导致较大的分布电感(也称为等效串联电感,ESL)
高频性能差:由于电感对高频信号的阻抗较大,大电容在高频信号中的表现不佳。
2.小电容的特点
体积小:小电容由于容量较小,可以做得更小,减少了引脚的长度,从而降低了ESL。小电容常采用平板电容结构,这样具有很好的高频性能。
低频性能差:虽然小电容对高频信号具有良好的滤波能力,但对低频信号的阻抗较大。
3.组合使用的策略
为了有效滤除低频和高频信号,通常会将一个大电容与一个小电容并联使用:大电容:主要用于滤除低频噪声,因为其对低频信号的阻抗较低。小电容:用于滤除高频噪声,因为对高频信号的阻抗较低。常用的0.1uF瓷片电容在这种应用中表现良好。对于更高频率的信号,可以并联更小的电容,如几pF或几百pF的电容。
总之,大电容与小电容的组合可以有效地覆盖从低频到高频的信号范围,实现优良的电源滤波效果。大电容负责滤除低频干扰,小电容负责处理高频噪声,两者的搭配能够更全面地抑制电源干扰。

四、旁路电容、去耦电容和滤波电容的原理都是相同的,都是利用电容对交流信号呈现低阻抗的特性。可以通过电容的等效阻抗公式来理解:
 
公式中:工作频率f越高,电容值C越大,则电容的阻抗 Xcap越小。

在电路中,如果电容的主要作用是为交流信号提供低阻抗通路,那么它就被称为旁路电容;如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,那么它被称为去耦电容;如果用于滤波电路中,则称为滤波电容。此外,对于直流电压,电容器还可以作为电路的储能元件,利用充放电起到类似电池的作用。

五、如何区分去耦电容和旁路电容?

在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。

去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方,用来消除自激,使放大器稳定工作。从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。这就是耦合。

  

去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电池,避免由于电流的突变而使电压下降,相当于滤纹波;具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大,对更高频率的噪声,基本无效。旁路电容就是针对高频来的,也就是利用了电容的频率阻抗特性。


电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率,会发生谐振,此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图,就会发现一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有关,所以选择旁路电容还要考虑电容的介质,一个比较保险的方法就是多并几个电容。


谐振频率的概念:
在谐振频率以下,电容呈容性;在谐振频率以上,电容呈感性。因此,大电容一般用于滤低频波,小电容用于滤高频波。


六、PCB电源的电容如何选?
如何判断芯片管脚处是选择0.1uF还是0.01uF电容?不如看看下面表格吧!

去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μ;0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说,对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF左右。最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格,可按C=1/f,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。

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