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滤波电容、去耦电容、旁路电容的作用

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发表于 2022-8-3 09:44 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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[size=12.0000pt]滤波电容用在电源整流电路中,用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。
$ `, m6 x, c% D3 _
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。
! x( y; A1 T, O  R- \# l) ^' Y" j& m旁路电容用在有电阻连接时,接在电阻两端使交流信号顺利通过。( F& y- I4 U- |9 y( W6 _

9 b9 ]1 h7 B; a& K! _( E) j1 E, {1.关于去耦电容蓄能作用的理解# X2 o" ~. z5 N! F% o

2 U% V- C6 ^9 B' _8 N7 D9 F& f1)去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰,干扰的进入方式是通过电磁辐射。& C2 E4 S% \# B& L" q; g' g
      而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。
, m$ B$ k) Q$ Q( T4 g2 r+ `2 K, a* Y; d" S) f" T  c9 l/ x
2 o2 @$ e( l& j" Z, b
     你可以把总电源看作密云水库,我们大楼内的家家户户都需要供水,. c9 `6 [" W. [6 ^* W
     这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,
) T! i* L4 a* j     等水过来,我们已经渴的不行了。
: a# D6 B$ D3 `  Z" ?) P* R  k! J     实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。
$ p: ^' A4 z2 @: j# z6 m  b( {5 ^
$ P! S/ q/ S& `- k. j     如果微观来看,高频器件在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,
1 H$ r6 M& ~- `% C, o/ |     而器件VCC到总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,* B. n0 h* u8 _6 j0 |
     阻抗Z=i*wL+R,线路的电感影响也会非常大,+ O0 u, U4 G, {7 o  P
     会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。
) E8 V7 Q' y$ d* O. {( w% N     而去耦电容可以弥补此不足。4 @$ P' ?' D# a3 l- K) K" z
     这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一8 w/ k$ l$ ~7 \! l( J: r8 A
9 o! L5 t- _% e% t" V# J
   (在vcc引脚上通常并联一个去藕电容,这样交流分量就从这个电容接地。)' J% d. a# ]5 d: ~3 `& b* u7 ~
  r! w2 I: u' n$ h: R8 ^) j
2)有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供  
3 d  y) ?- U+ s1 k, n1 ]+ r9 B) X3 E8 a$ U- Q$ d2 {- j% G4 e
     一 个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地
- r* b# J! v% u. j1 b
; C2 L8 f" L4 {) e5 @2.旁路电容和去耦电容的区别
3 C9 N9 A* D& x, A, _0 m6 t  z( K% I
     去耦:去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件     供局部化的DC电压源,它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。 : G) r4 [0 F( S3 S% g
旁路:从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分,另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。 0 ?3 w0 D: d6 ?. @# e3 @5 F

- X  G4 m- D) }3 v0 v我们经常可以看到,在电源和地之间连接着去耦电容,它有三个方面的作用:一是作为本集成电路的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声,切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。
% ^8 w2 e9 I2 y0 b# H
& ?; l1 ^$ z9 C% X8 L0 J     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。
滤波电容的选择, e" X# m! E" o; `1 g

/ G+ E) {; f, ^7 q0 b$ P3 a! G; h) G& h# ?  R1 f2 R
    经过整流桥以后的是脉动直流,波动范围很大。后面一般用大小两个电容,大电容用来稳定输出,众所周知电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑,小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压纯净,电容越小,谐振频率越高,可滤除的干扰频率越高) S$ W, H; m+ z1 E
容量选择:
# p$ Z8 F1 C( R. y& x0 J! N1)大电容,负载越重,吸收电流的能力越强,这个大电容的容量就要越大7 Z0 d) P; \4 w) T/ v: l+ p9 m
2)小电容,凭经验,一般104即可
, f! d, o$ U  ?9 S2 D( H2 Q1、电容对地滤波,需要一个较小的电容并联对地,对高频信号提供了一个对地通路。
" O5 u! o" [8 L2 ~7 B2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。' l' V8 C0 b9 {7 ^+ _
3、理论上说电源滤波用电容越大越好,一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
0 J2 b: v0 r& Y" E$ i$ x: {" n8 ?$ ~4、可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段./ n0 P! I1 p% Z) ^  }4 X* k6 [

+ v4 T5 z3 c* b" A( t5 u3 c9 D具体案例: AC220-9V再经过全桥整流后,需加的滤波电容是多大的? 再经78LM05后需加的电容又是多大?
' L0 Z$ z# ^( q& v前者电容耐压应大于15V,电容容量应大于2000微发以上。 后者电容耐压应大于9V,容量应大于220微发以上。* g- N$ u7 P& p2 ~
2.有一电容滤波的单相桥式整流电路,输出电压为24V,电流为500mA,要求: * ^, O6 A! U! C: a
1)选择整流二极管; 1 h5 m0 N5 L' c, s8 D: n. V
2)选择滤波电容; ' i2 S! F" g$ `9 h! p4 N: n
3)另:电容滤波是降压还是增压?$ D) X* s& b- q4 K3 B3 g$ S9 G6 k
1)因为桥式是全波,所以每个二极管电流只要达到负载电流的一半就行了,所以二极管最大电流要大于250mA;电容滤波式桥式整流的输出电压等于输入交 流电压有效值的1.2倍,所以你的电路输入的交流电压有效值应是20V,而二极管承受的最大反压是这个电压的根号2倍,所以,二极管耐压应大于 28.2V
6 s  Z5 b5 o# d  G# u0 a2)选取滤波电容:1、电压大于28.2V2、求C的大小:公式RC≥3--5×0.1秒,本题中R=24V/0.5A=48+ Y. Q0 ^" x4 _; B+ g+ z
所以可得出C≥0.00625--0.0104F,即C的值应大于6250μF7 k; G) f2 H9 H, o/ n  Y8 Q( v4 f
3)电容滤波是升高电压。
& c# n0 i; c& I6 Y& W4 {- R. k/ O* |  M+ ]) m6 I% v' b2 m
滤波电容的选用原则
; I, C1 H7 ~- Q+ ^, i8 Z5 B! ?" a. p$ D9 N( J
在电源设计中,滤波电容的选取原则是:      C≥2.5T/R
; {+ I2 _) g6 R, y$ _% J                                     其中: C为滤波电容,单位为UF;3 ?9 [$ @& ~7 `+ b) g) j
                                                T为频率, 单位为Hz
+ N7 G# z+ C& b  `                                                R为负载电阻,单位为Ω3 I. {: y( ?6 G- F1 y, w5 E
   当然,这只是一般的选用原则,在实际的应用中,如条件(空间和成本)允许,都选取C≥5T/R." c& A! ^, b+ q/ g; K
9 F( v" I3 P& A- C0 ?5 @
. R* s" d( @& b$ Y$ K0 V
3.滤波电容的大小的选取 7 ]# Z  E2 O/ b" N0 ~1 w
                                        PCB制版电容选择
+ S% h) D+ z9 N! ]8 z印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采
  k& a& z7 e; O5 a( `RC吸收电路来吸收放电电流。一般R1~2kΩC2.2~4.7μF& ]; \5 M; U4 q1 H  X' Z
      一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,8 X( F* F% D3 x8 G
可以起到稳压的作用。  滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可
: q- E$ X. Z' T* ~0 c能对系统造成影响的谐波频率,可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库
3 J3 S" E3 }# F/ Q# t' ]软件,根据具体的需要选择。至于个数就不一定了,看你的具体需要了,多加一两个也挺好
  W' e9 ]5 G1 s, I的,暂时没用的可以先不贴,根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率# i( m1 x9 k. }( S8 i: J( p" ]- v
比较低的话,加两个电容就可以了,一个虑除纹波,一个虑除高频信号。如果会出现比较大
* y* _9 `- j% C# \- o5 _# U6 P% r0 y的瞬时电流,建议再加一个比较大的钽电容。
/ v& o) ~+ V% R; U6 \' [5 C# h      其实滤波应该也包含两个方面,也就是各位所说的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。( p* E; b% @0 X3 _1 t. c; [
原理我就不说了,实用点的,一般数字电路去耦0.1uF即可,用于10M以下;20M以上用1
1 G: P* J  n: H: q5 F10uF,去除高频噪声好些,大概按C=1/f 。旁路一般就比较的小了,一般根据谐振频率
; v: P9 G7 e# u) C8 ]: @一般为0.10.01uF4 E( E. h; m' Z1 t
      说到电容,各种各样的叫法就会让人头晕目眩,旁路电容,去耦电容,滤波电容等等,其
) Y3 x) l3 N& t( u3 U. }% g实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可# _; j" W% {' W* o1 }
以通过电容的等效阻抗公式看出来:Xcap=1/2лfC,工作频率越高,电容值越大则电容的0 C# t  d! f5 M8 u5 r. T) X
阻抗越小.在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁% n) v1 `, P: o; w* T, v
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,就可以, a- \; T. ^" g. H  L, S- @
称为去耦电容;如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容;除此以外,对于直流电: F  ?7 c2 j& i: g. x; n
压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中,往往电容的
# I6 t  Z, X' I' a+ f0 d7 G作用是多方面的,我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里,我们统一把这些应
! t  l) I5 |' P: F* Y- L用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容." x- P0 m& e4 @- B1 M2 s
电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。
( @+ S: I1 p8 [: a" i! T0 E3 ^8 B但由于引线和PCB布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路,
  ]: R* M: j$ i5 n* B% ]' t(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)
8 e) ~' k- l4 [: }这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/23 Q! ~4 r3 F' K; e9 W! R3 R
在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。- w5 J) a  ^/ z- c0 H6 t+ W
因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。7 ?+ H- ]! A2 u; ]  T: `$ z
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。* Z; D8 ^5 _" A, C! S
至于到底用多大的电容,这是一个参考
/ L! g; a3 X( D" ]             电容谐振频率
5 S; X7 R8 D& d. c8 k0 p电容值       DIP (MHz)      STM (MHz)
% k2 u$ M/ ?6 Z+ N+ p7 S2 m1.0μF                2.5                     5
; E5 K; |; P1 I1 X  L% |; g0.1μF                 8                     16
5 I/ w4 h* M! m( Y0.01μF              25                     50
& y. M* l$ P& ^7 w1000pF             80                    160
% U$ D* w7 i# U: Z# S3 u* {) |100 pF              250                   500( ]% t! V& |& M/ N* h" ?
10 pF                800                1.6(GHz)
- D6 ^7 o! ?! E( k5 n' B% t不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说——主要靠经验。
5 y8 [: r- I* z更可靠的做法是将一大一小两个电容并联," ~* o5 O/ [8 K3 e" Y
一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。- p  N8 D3 T9 |) Q4 L7 Z7 B
一般来讲,大电容滤除低频波,小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比6 z& M: U4 h) H) R6 c# x
9 X" ]% [1 y! F0 B- Y' p2 F5 o
具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )  B( _+ j- P: F, `
电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。& ~! p3 [  O: ~5 g. r1 E
1)理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应+ m' s! R+ r0 r
,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于
0 c* X9 b/ Z5 ~4 F; u" JFSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR,对干扰的抑制就大打' U" B) W% P" E. f; Z4 ?% T. v
折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?5 E4 I$ u) T; n! ]9 B0 V
原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常  _5 ~7 {" G9 H7 F) s# a
常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也
5 W/ H$ N# D3 T" F可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要
; p1 B) |1 G( C! Q7 y0 W+ U尽可能靠近地了.6 l) j( F4 U1 d' `$ |
2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR
- T( ~' N6 Y* ]# Z# f8 D4 u; X,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?
1 n' Z4 Z) G! C/ Z0 g# ]9 B电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402,0603,或直插式电
6 J6 s# W% ^2 V( _容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Data sheet,22pf0402电容的1 D( \  y/ ^/ B& P- V
SFR值在2G左右, 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?S21?0 [. g. @# e0 `6 o  d
知道了电容的SFR值后,用软件仿真,RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作: k  x, s8 T4 u* W
频带是否有足够的噪声抑制比.仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,6 i3 m2 C) W& z1 J
LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.

, [0 c0 k1 }! n( `+ z

该用户从未签到

2#
发表于 2022-8-3 10:25 | 只看该作者
看一看,学习学习。增长知识了

该用户从未签到

3#
发表于 2022-8-3 13:22 | 只看该作者
认真学习技术上的知识。

该用户从未签到

5#
 楼主| 发表于 2022-8-3 14:54 | 只看该作者
多多分享实际的例子、有实际用处的
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