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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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x
[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。 , c6 f+ u7 ?- U( _
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。 , \5 f* V! Y3 z4 m+ W* R) H' U2 i
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。! y) H" t5 W4 ^! [$ b' U$ h

" \2 Q! e; H8 n7 G+ g7 N! J$ w6 T. h# r! L1.关于去耦电容蓄能作用的理解
. Q# k4 _  D- T5 s% D
- t, O6 e5 y3 ]) Z1)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。
9 e3 h9 `4 X6 u/ O3 ?      而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。
1 q( Q- K1 K( A3 w
! r! y/ B. d! U$ r; D) r' o- Y+ t( N( w$ w/ a! }
     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,
+ L- U: _' A. Q7 @4 `     这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,- A- D6 C( M" n# l9 g+ ^
     等水过来,我们已经渴的不行了。/ v, Q5 Y, d! W+ ^
     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。
  b( Z5 u* @6 F* v6 d: t! P
1 i/ |0 \* Y! Y5 T( U     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,7 W, S) j& H1 Y' {( C# z
     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,0 L+ Z" J' G$ j, y9 U
     阻抗Z=i*wL+R,线路的电感影响也会非常大,1 p4 J& }- [' z0 M$ y6 u
     会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。) L2 {8 |" w6 w$ l0 b" {2 C' v/ b
     而去耦电容可以弥补此不足。, X" R$ Y  ^: J) T
     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
' k2 w0 f7 K, ?9 O* M' O' Q2 l4 m/ E/ h+ @3 ]& H4 M) y5 D/ I
   (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。)
) F& q1 `9 }/ i7 y- |
5 v+ G4 h0 H" ?  T0 [+ X1 v2)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  : [) d& f& |6 W7 q0 }6 z
$ B" L6 L0 [. k7 S) t2 M0 S1 N2 `
     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
& E3 b$ Q5 J1 k1 a& T. v2 X1 u2 j; O) [
2.旁路电容和去耦电容的区别
; _4 x9 k1 E! h
$ U% W- n; N2 Y* i& i2 F: y0 @- }     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。
8 y* W9 R4 Q( I  J  Q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)。 + ?7 Q9 T* a: e9 @! P9 X
& u$ j& F; S0 B, L
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。
# T, T# X& ~0 j% _
5 }. t) i, |. K6 o- Q5 o     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
  P. d7 y: Y2 }: P$ [/ N% R/ }* E8 a' E& I
0 s' H, O: ?3 ?. H- a$ W; h7 M* V- J: o7 \. T% l
    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
8 K% a& b5 u! a8 B! i容量选择:# f, A, L- H# h( a8 O! T# C7 A9 O
1)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 y# @, _4 h1 x7 K- |# }
2)小电容,凭经验,一般104即可
' T$ r; K& \0 K- l7 V/ g1、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。; l9 @3 n8 R7 d3 q
2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。) _6 i: r) J: y0 O7 A8 |% b( S6 n
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。
) r. i0 d$ E) X4 j0 H" T4、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.+ p* A9 u. L9 O! `4 {
: t+ s1 s" n3 p! A, k6 S
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?
" m+ \8 k6 P( G8 N. b7 ]& _. G* I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。3 e1 y/ r; S2 t' L  y( B: k3 X9 B
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: + d5 `* T1 l/ v# [
1)选择整流二极管;
* X6 _9 n* N" P3 ^: X5 g7 X2)选择滤波电容; 4 Z+ ]( O0 N; w9 i, G) D! k  E/ f7 X
3)另:电容滤波是降压还是增压?; P5 v8 @( O) o" P" }! 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 28.2V0 h/ y3 T5 H- V8 T; q2 I! H! G
2)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
" @6 w+ j$ y4 Y4 T& d所以可得出C≥0.00625--0.0104F,即C的值应大于6250μF
! n% t' T/ R  E& Z7 X' ~3)电容滤波是升高电压。, R/ z% b5 E& q- z
0 N& G+ f" f+ W7 R4 u3 C
滤波电容的选用原则
- j% L) ?6 }' d" z2 v# Z3 z4 I( c/ b" q# I8 X
在电源设计中,滤波电容的选取原则是:      C≥2.5T/R
- ?1 m; R0 h) |3 z+ o                                     其中: C为滤波电容,单位为UF;
7 I( p" F" z* ]; q! J+ Z* E' W                                                T为频率, 单位为Hz
9 c0 o0 |3 W/ }  K$ ?8 S7 R( \                                                R为负载电阻,单位为Ω7 w% G* K) m! P$ ?. ^& o" N
   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.9 M. x$ R% |* C2 l+ n
% d% h! L4 ?8 B. w

3 H, Z8 N5 @# N1 g- _, v3.滤波电容的大小的选取 9 y! D6 C& F3 ?$ O& B
                                        PCB制版电容选择7 e3 i9 k( i$ r
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4 _+ S  f$ {4 H+ G' {3 H9 m9 m
RC吸收电路来吸收放电电流。一般R1~2kΩC2.2~4.7μF
# I4 d6 i& ^& H7 ]# O1 j) _; S      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,
3 ?) [  I% Q0 M6 J3 K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, C% K5 ^" r7 D
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
' U! s0 \0 v5 g  r$ r. [! l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
2 L+ o& G, Z  {* ?' p0 u6 S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
8 J1 k+ U) G. W& J9 g1 y) W/ W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
) g  e3 r. j& m+ |' y的瞬时电流,建议再加一个比较大的钽电容。
9 Y7 x5 R  r) [" b' Q. Z# V      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。; v/ |7 d9 ~( R3 `1 y0 L( }
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
  Y/ ^4 ^$ s- y& q. J/ z/ }. u10uF,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# H: L( [! z1 u, x, ]7 I3 i
一般为0.10.01uF5 P& R* l9 y- |8 W2 x( Y
      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2 v8 m- O8 D- Q& r, {) B1 i
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  [6 t9 {1 y7 c% G7 P1 ?
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8 v2 s; A5 o+ ]5 w& n' o: ?' p
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$ H, ], X' i5 y  H/ `3 F  S- a  S
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
7 c' g" T) I  z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
/ ~) w1 U* |3 c& v- [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' ]$ u! ]; Z! u! u. t- k! \
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/ D/ [) m( x& V2 [1 p
用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.
" c: ^" x3 n9 J) [6 U/ S& b3 d* P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。% `& y9 I3 T) x) j) U! U2 \6 o
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,
8 @+ g3 m: F0 I) H/ ?(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)
' k" U! R6 _$ u2 q9 s这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/2
9 n" n$ X8 X+ j, y! Z4 \" |在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。3 L- o1 q6 {2 F" \
因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
3 X/ [+ I" N) r8 [0 K+ J2 n! t0 A- C- k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。
& P' M0 e, R6 X9 v8 G4 o+ Y% \至于到底用多大的电容,这是一个参考
7 N9 p' h; W! L             电容谐振频率0 w% `  w. P  @/ o. c9 s6 U9 P
电容值       DIP (MHz)      STM (MHz)5 @& R0 [0 F9 z4 A6 r5 Z$ m: W
1.0μF                2.5                     55 R- E, Z7 b% O  K  O5 k' l2 v; D8 k
0.1μF                 8                     164 b$ O) \* Y2 s2 b( C* u8 V
0.01μF              25                     50
: g* _" w5 \5 }& Q1000pF             80                    1602 ?- K5 [8 _, m" y! z6 B% L
100 pF              250                   500. _1 {: p6 b  X' U8 F6 y! J
10 pF                800                1.6(GHz)) R) A2 e0 y; M: ~( V
不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说——主要靠经验。. X. j8 B1 }( U2 M& @  E
更可靠的做法是将一大一小两个电容并联,- Y: X0 Q5 S- R; D
一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。
6 \* F4 D) V4 f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- x$ W4 I. m' q* h
5 D/ t$ v3 I$ P) T  j* O  W2 E. {
具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
# ]8 B2 B5 J" w$ q电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。
' Z5 g5 P' E$ l  ?6 N3 ?9 L, K1)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4 B# f! r2 M: X% H* }& y
,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
6 f& m1 w4 I3 [! n& `) b" d3 oFSR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
. @8 c: z! a- k5 t& @折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?
# s( ]' R9 x( o& q' c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
$ z4 T& y% w2 j6 k- t( S' U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
* k  X4 Z3 _0 O  g' {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; O- ?) |- t+ P
尽可能靠近地了.: q- d9 m( V0 \
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SFR0 {- Q# m; @; @/ W9 l/ m' p* c
,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?9 C, L) V4 x4 l. _2 e2 e& l+ N
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9 T1 W; S( D4 j4 w! q) B/ N; ?( A
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7 C; R+ ?7 O/ d& H, O
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?4 C' q5 T/ C) S6 }* \. r8 [
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
" _( |, Y* D8 e, ~, H! o6 g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,
- L" k2 @. _6 v$ V, x/ @LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.

( A, \! ]) r  Z1 N2 y# g) b% s

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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

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

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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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