模电学习5. 耦合电容去耦电容与旁路电容

Posted 2023-02-27 编程圈子

模电学习5. 耦合电容、去耦电容与旁路电容

• 一、电容的主要作用
• 二、耦合电容
• • 1. 耦合电容的作用
  • 2. 容抗计算
  • 3. 示例电路
• 三、去耦电容
• • 1. 去耦电容的作用
  • 2. 去耦电容应用场景
  • • （1）芯片电源电路中的去耦电容
    • （2）输出电路中的去耦电容
    • （3）桥式整流电路中滤波电容
    • （4）RC滤波器中使用去耦电容
  • 3. 去耦电容与电流的关系
  • 4. 数字电路中去耦电容选择
• 四、旁路电容
• • 1. 旁路电容的作用
  • 2. 旁路电容的典型应用场景
  • • （1）信号输入端的旁路电路
    • （2）三极管开关、放大电路中
    • （3）RC滤波电路中使用旁路电容
  • 3. 旁路电容的选择
• 三、电路设计要点

一、电容的主要作用

• 耦合
• 去耦（旁路）
• 滤波
• 储能
• 延时（定时）
• 降压
• 谐振
• 缓冲吸波
• 波形变化

本文主要讨论去耦与旁路电容，在前面会先简单分析耦合电容的使用。

二、耦合电容

1. 耦合电容的作用

（交流）耦合电容，用来将前级的交流信号耦合到后级电路，对不需要的信号进行去耦。
耦合电容与下一级的输入电阻构成一个RC滤波器，该RC滤波器的上限频率不能高于输入信号的频率。

2. 容抗计算

选取电容的容抗与频率间有以下关系：
$$X_c=\frac{1}{2\pi fC}$$

$X_c$为容抗，单位为$\Omega$；f是信号频率，单位Hz，C为电容容量，单位F。
从式中可以看出，信号频率一定的情况下，电容值越大，容抗越小；

3. 示例电路

功放电路耦合电容示例：

上图中对音频信号进行耦合，选值有利于20Hz ~ 20KHz的声音信号耦合到扬声器，音频信号通过C7的容抗约为0.008~7.96$\Omega$。

三、去耦电容

1. 去耦电容的作用

去耦（英文为Decoupling），意思就是让信号不要传递到另一个电路。一般电路中的去耦电容有两个作用，分别是：

• 滤波
• 储能

2. 去耦电容应用场景

（1）芯片电源电路中的去耦电容

如上图所示，其中C1是去耦电容，一般也会被称为滤波电容。
去耦电容相当于电池，储能是避免由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波：
假设芯片突然要拉取大电流，可能会导致VCC供电不足，这时电压可能会下降，这时C1储存的电能会释放，补充VCC的供电。

（2）输出电路中的去耦电容

前图中C3也是去耦电容，其作用可以将输出电路中的干扰过滤掉，还可以保持输出端稳定输出。

（3）桥式整流电路中滤波电容

典型电路：

图中电容的作用是去耦，一般来说，越大的电容值能够更好地稳定输出电压，但同时也会导致更长的放电时间，下面是容量变化带来的纹波改善情况：

容量变化范围	容量变化值	纹波改善
10uF ~ 100uF	90uF	42V
100uF ~ 1000uF	990uF	19.6V
1000uF ~ 4700uF	3700uF	2.89V

该电路中去耦合电容一般比较大，是10uF或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。但从上表中可以看出，当电容容量持续增加时，带来的好处是越来越小了，而且纹波电流增大对电路也会造成不良影响。

一般格式整流电路中滤波电容容量选择在100uF左右。

（4）RC滤波器中使用去耦电容

RC滤波器的电路中，可以在输入端和输出端加入去耦电容，以抵消不同电路之间的电容耦合，增强滤波器的性能，改善EMC性能。

3. 去耦电容与电流的关系

电容的选择与放电电流间也以下关系：
$$C=\frac{I_{out}}{\Delta V\ast f}$$

示例： 要求电压波动不超过0.5V，f=50KHz， 输出电流 100mA，计算电容值：
$$C=\frac{0.1A}{0.5V\ast (50\ast 10^3)Hz}\ast 10^6=4uF$$

另外电容的选择还与电容的等效串联电阻（ESR）、耐压、谐振频率、　寄生电容（ESL）有关。

4. 数字电路中去耦电容选择

数字电路中去耦电容值一般选择0.1uF，它的分布电感典型值是5uH，并行共振频率大约7MHz； 对于10MHz以下的噪声它有比较好的去耦效果，但对于40MHz以上的噪声几乎不起作用。

数字电路中去耦电容最好不要用电解电容，因为电解电容使用两层薄膜卷起来，在高频时表现为电感； 可选择钽电容或聚碳酸酯电容。

这里的容量选择不是很严格，一般可按$C=1/F$来选择，即10MHz取0.1uF， 100MHz取0.01uF。

四、旁路电容

1. 旁路电容的作用

旁路英文是bypass，意思给某信号开辟一个阻抗更低的通道，从而绕开高阻抗路径。
简单地说，旁边电容只有滤波的作用。如果要比较旁路与去耦，则：

• 旁路：让不期望的信号另找途径，一般电容容量低、针对高频过滤；
• 去耦：让不期望的信号被直接阻断，一般电容容量高、相当于滤纹波。

常见的旁路电容可以将混有高频、低频信号的交流电中的高频成分旁路过滤掉。

2. 旁路电容的典型应用场景

（1）信号输入端的旁路电路

旁路电容一般出现在电路的输入端，对输入信号中不需要的高频信号进行滤除，如下图所示的C2电容：

（2）三极管开关、放大电路中

上图中C1是旁路电容，它的作用就是滤波。

（3）RC滤波电路中使用旁路电容

RC滤波器可以不包含旁路电容电路 ， 但如果在滤波器的输入端加入了旁路电容，则可以增强滤波器的性能。

3. 旁路电容的选择

旁路电容一般用来滤除高频信号，要使用容量小的电容，如0.1uF（104nF）、0.01uF等，一般是陶瓷电容或云母电容。

三、电路设计要点

1. 一般uF级电容，常为电解电容，容易通过低频信号，对高频信号阻抗大；
2. 对于0.001uF~0.1uF的电容，常为陶瓷电容或云母电容，容易通过高频信号。

在精密的仪器电路中，常常并联电容同时实现旁路、去耦以提高滤波效果，还有可能并联多个电容，以实现过滤更多频率噪声的需求。

使用旁路电容时：

• 它的容值选择比较小，如0.1uF；
• 要离芯片引脚尽可能近；
• 在贴片电路设计中，过孔尽量与焊盘连在一起，让电容贴近芯片；离得远的话容易产生寄生电感。