關(guān)于濾波電容、去耦電容、旁路電容作用

1、1 濾波電容，去耦電容，旁路電容2 電容特性3 電容濾波電路關(guān)于濾波電容、去耦電容、旁路電容作用（轉(zhuǎn)）2007-07-28 11:10濾波電容用在電源整流電路中，用來(lái)濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來(lái)消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。 旁路電容用在有電阻連接時(shí)，接在電阻兩端使交流信號(hào)順利通過(guò)。1.關(guān)于去耦電容蓄能作用的理解1）去耦電容主要是去除高頻如RF信號(hào)的干擾，干擾的進(jìn)入方式是通過(guò)電磁輻射。而實(shí)際上，芯片附近的電容還有蓄能的作用，這是第二位的。你可以把總電源看作密云水庫(kù)，我們大樓內(nèi)的家家戶戶都需要供水，這時(shí)候，水不是直接來(lái)自于水庫(kù)，那樣距離太遠(yuǎn)了，等水

2、過(guò)來(lái)，我們已經(jīng)渴的不行了。實(shí)際水是來(lái)自于大樓頂上的水塔,水塔其實(shí)是一個(gè)buffer的作用。如果微觀來(lái)看，高頻器件在工作的時(shí)候，其電流是不連續(xù)的，而且頻率很高，而器件VCC到總電源有一段距離，即便距離不長(zhǎng)，在頻率很高的情況下，阻抗Zi*wL+R，線路的電感影響也會(huì)非常大，會(huì)導(dǎo)致器件在需要電流的時(shí)候，不能被及時(shí)供給。而去耦電容可以彌補(bǔ)此不足。這也是為什么很多電路板在高頻器件VCC管腳處放置小電容的原因之一（在vcc引腳上通常并聯(lián)一個(gè)去藕電容，這樣交流分量就從這個(gè)電容接地。）。2）有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪

3、聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。2.旁路電容和去耦電容的區(qū)別去耦：去除在器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入到配電網(wǎng)絡(luò)中的RF能量。去耦電容還可以為器件供局部化的DC電壓源，它在減少跨板浪涌電流方面特別有用。旁路：從組件或電纜中轉(zhuǎn)移出不想要的共模RF能量。這主要是通過(guò)產(chǎn)生AC旁路消除無(wú)意的能量進(jìn)入敏感的部分，另外還可以提供基帶濾波功能（帶寬受限）。我們經(jīng)?？梢钥吹?，在電源和地之間連接著去耦電容，它有三個(gè)方面的作用：一是作為本集成電路的蓄能電容；二是濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路構(gòu)成干擾。在電子電路中，去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用，電容所處

4、的位置不同，稱呼就不一樣了。對(duì)于同一個(gè)電路來(lái)說(shuō)，旁路（bypass）電容是把輸入信號(hào)中的高頻噪聲作為濾除對(duì)象，把前級(jí)攜帶的高頻雜波濾除，而去耦（decoupling）電容也稱退耦電容，是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合電容一般比較大，是10u或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1F。這個(gè)電容的分布電感的典型值是5H。0.1F的去耦電容有5H的分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說(shuō)，對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對(duì)40MHz以上的噪聲幾乎不起

5、作用。1F、10F的電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻噪聲的效果要好一些。每10片左右集成電路要加一片充放電電容，或1個(gè)蓄能電容，可選10F左右。最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來(lái)的，這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴(yán)格，可按C="1"/F，即10MHz取0.1F，100MHz取0.01F。電容器選用及使用注意事項(xiàng)：1，一般在低頻耦合或旁路，電氣特性要求較低時(shí)，可選用紙介、滌綸電容器；在高頻高壓電路中，應(yīng)選用云母電容器或瓷介電容器；在電源濾波和退耦電路中，可選用電解電容器。2，在振蕩電路、延時(shí)電路、音調(diào)電路

6、中，電容器容量應(yīng)盡可能與計(jì)算值一致。在各種濾波及網(wǎng)（選頻網(wǎng)絡(luò)），電容器容量要求精確；在退耦電路、低頻耦合電路中，對(duì)同兩級(jí)精度的要求不太嚴(yán)格。 3，電容器額定電壓應(yīng)高于實(shí)際工作電壓，并要有足夠的余地，一般選用耐壓值為實(shí)際工作電壓兩倍以上的電容器。4，優(yōu)先選用絕緣電阻高，損耗小的電容器，還要注意使用環(huán)境。電容特性：在消費(fèi)類電子產(chǎn)品系統(tǒng)中，體積越來(lái)越小，器件擺放越來(lái)越密，模擬、數(shù)字部分已很難通過(guò)布局有效分開(kāi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師往往在電源網(wǎng)絡(luò)中使用很多電容，衰減高頻數(shù)字噪聲，期望能“凈化”電源，減少對(duì)模擬電路的干擾。在電壓調(diào)整器中，在輸入、輸出端通常都各有一只電容，跨接在輸入、輸出管腳和地(GND)之間。

7、輸入電容的主要作用是濾除交流噪聲，抑制輸入端的電壓變化。而輸出電容的作用，除了構(gòu)成反饋環(huán)路的一部分之外(增加一個(gè)額外的零點(diǎn)，當(dāng)然不可避免的也要帶來(lái)一個(gè)極點(diǎn)，提高環(huán)路的相位裕量)，還可以抑制由于負(fù)載電流或者輸入電壓瞬變引起的輸出電壓變化。從某種角度來(lái)說(shuō)，濾除交流噪聲與抑制電壓突變?cè)诒举|(zhì)上是一回事，那就是去除交流信號(hào)。電容的特性不同介質(zhì)種類的電容，其自身特性相差甚遠(yuǎn)。在描述電容的特性之前，我們需要了解以下幾個(gè)參數(shù)：電阻符號(hào)R，是指通過(guò)導(dǎo)體的直流電壓與電流之比，單位為歐姆。電抗符號(hào)X，是交流電路中由電感和電容引起的阻抗部分，包括感抗(XL)和容抗(XC)，單位為歐姆。阻抗符號(hào)Z，是一個(gè)復(fù)合參數(shù)，實(shí)部

8、為電阻，虛部為電抗，單位為歐姆，所以阻抗也可以表示為：Z = R + jX。 電導(dǎo)符號(hào)G，是指通過(guò)導(dǎo)體的直流電流與電壓之比，電阻的倒數(shù)，單位為西門子。電納符號(hào)B，是導(dǎo)納的虛數(shù)部分，包括容納(BC)和感納(BL)，單位為西門子。 導(dǎo)納符號(hào)Y，是阻抗Z的倒數(shù)，也是一個(gè)復(fù)合參數(shù)，實(shí)部為電導(dǎo)，虛部為電納，單位為西門子，也可以表示為：Y = G + jB導(dǎo)納Y通常表示的是器件并聯(lián)的情況，而阻抗Z表示的則是器件串聯(lián)的情況，見(jiàn)圖1。其中，W=2f電容: Z=R+jX=R+1/jwc=R+1/j2fc=R-j1/2fc電感: Z=R+jX=R+jwL=R+j2fL圖1：阻抗與導(dǎo)納的表示方法。所以對(duì)于串聯(lián)的器件

9、組合，如果>0，則說(shuō)明器件兩端有感性，越接近90，感性越強(qiáng)，當(dāng)=90時(shí)，為純感性器件。同樣< 0，則說(shuō)明器件有容性，越接近-90，容性越強(qiáng)，當(dāng)=-90時(shí)，為純?nèi)菪云骷３Ｒ?jiàn)的幾種類型的電容特點(diǎn)如表1所示，表1：不同種類電容的優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)中并沒(méi)有純電阻，也沒(méi)有純電容或電感，都是這幾種理想器件的組合。實(shí)際的電解電容的等效電路可以表示如圖2所示。其中：Ra介質(zhì)吸收引起的電阻，Ca介質(zhì)吸收引起的電容，RLE漏電引起的電阻，RL引線引起的電阻，LL引線引起的電感。實(shí)際的多層陶瓷電容的等效電路則可以如3表示，對(duì)于用作濾波作用的電容，當(dāng)然不希望有ESL，即使在高頻也保持良好的容性，即等于或接近-

10、90度。圖2：電解電容的等效電路。電容的并聯(lián)效果既然實(shí)際的電容特性與理想電容有一定的差距，那么接在輸入、輸出端的濾波電容到底產(chǎn)生了什么樣的作用呢？有的應(yīng)用手冊(cè)上給出，使用兩顆電容并聯(lián)到GND，一顆容值較大的電解電容，另一顆是容值較小的陶瓷電容，比如C1=10uF，C2=0.1uF，為了研究并聯(lián)的交流特性，加入一只電阻R0，等效成如下電路，交流特性的影響是由兩只電容引起的，如圖4所示。圖3：多層陶瓷電容的等效電路。圖4：兩只電容并聯(lián)的交流等效電路。其中R0為信號(hào)源內(nèi)阻，R1為電容C1的等效串聯(lián)電阻，R2為電容C2的等效串聯(lián)電阻。傳輸函數(shù)可以表示成下式，從上式不難看出，系統(tǒng)包括兩個(gè)極點(diǎn)，兩個(gè)零點(diǎn)。

11、，當(dāng)滿足條件C1>>C2，R1>>R2時(shí)，極點(diǎn)可以表達(dá)成下式，以上面50V/10uF電解電容，和16V/1uF陶瓷電容的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)上述器件進(jìn)行如下賦值，ESR取f=100kHz的值。R0 = 1，C1 = 8.21uF，C2 = 0.997uF，R1 = 774m，R2 = 190m，圖3網(wǎng)絡(luò)的頻率特性如圖4所示，從上圖看出，在緊接著第一個(gè)極點(diǎn)P1之后，出現(xiàn)了第一個(gè)零點(diǎn)Z1，它是由R1、C1形成的，如果沒(méi)有電容C2，AC曲線將保持水平，不再有衰減。正是由于C2的存在，使得增益在通過(guò)第二個(gè)極點(diǎn)P2之后繼續(xù)衰減，直至第二個(gè)零點(diǎn)Z2。因此要使兩只電容并聯(lián)的增益衰減更多，

12、可以將Z2外移，也就是使電容C2以及R2遠(yuǎn)小于C1、R1。這是假定電容C、ESR在所有頻率下都是定值的條件下，用MATHCAD計(jì)算出的理想曲線。實(shí)際上，根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)告訴我們，C、ESR會(huì)隨著頻率而變化，而且在高頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)ESL，考慮到這些因素，得到的曲線如圖5所示。圖6是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent 4395A)得到的實(shí)際頻響曲線。圖5：兩只電容并聯(lián)的幅度相位頻率特性。圖6：根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的頻率特性。在頻率小于100kHz時(shí)，圖5與圖6幾乎沒(méi)有差別，大約在f>700kHz，由于ESL的作用，增益上翹。當(dāng)滿足條件R1×C1 = R2×C2時(shí)，根據(jù)上式系統(tǒng)可以簡(jiǎn)

13、化成一個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)零點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)中滿足這種條件的有兩種情況，兩只電容C1、C2完全相同，意味著類型、容值、ESR和頻率特性等一樣。圖7：網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)到的頻率特性。容值與ESR成反比，對(duì)于同一類型的電容，實(shí)際上也基本滿足這個(gè)規(guī)律。此時(shí)其零、極點(diǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)->極點(diǎn)->實(shí)際上此時(shí)可以等效成1個(gè)電容，它的容值為兩個(gè)電容的并聯(lián)Ce = C1/C2，ESR為兩個(gè)ESR并聯(lián)Re = R1/R2。 三只電容并聯(lián)的情況如圖8所示，傳輸函數(shù)可以表示成圖8：三只電容并聯(lián)的交流等效電路。從上式不難看出，系統(tǒng)包括三個(gè)極點(diǎn)，三個(gè)零點(diǎn)。假定上述器件給出值如下，R0 = 1、C1 = 10uF、C2 = 1uF、C3=0

14、.1uF、R1 = 2、R2 = 100m、R3=50m，網(wǎng)絡(luò)的頻率特性如圖9，衰減是第一個(gè)極點(diǎn)P1開(kāi)始，到最后一個(gè)零點(diǎn)Z3結(jié)束。P1是由C1、R0+R1引起的，Z3是由C3、R3引起的。同樣類似的情況，當(dāng)滿足R1×C1 = R2×C2 = R3×C3時(shí)，仍可以等效成一只電容，其容值為三個(gè)電容的并聯(lián)Ce = C1/C2/C3，ESR為三個(gè)電阻并聯(lián)Re = R1/R2/R3。對(duì)于線性電壓調(diào)整器，用戶只關(guān)心輸出端的交流噪聲。這個(gè)噪聲只有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是來(lái)自輸入端，一個(gè)則是來(lái)自調(diào)整器本身。幸運(yùn)的是，來(lái)自BCD新一代線性電壓調(diào)整器能夠很好地解決這兩個(gè)問(wèn)題。芯片本身出色的P

15、SRR性能，可以很好的抑制來(lái)自輸入端的交流噪聲，尤其是在低頻部分；而自身的輸出噪聲很低，幾乎可以忽略。比如AP2121，PSRR為70dB，從DC可以持續(xù)到1kHz、10Hz 100kHz之間的噪聲電壓只有30uVrms。因此在使用AP2121時(shí)，根本不需要再額外使用多個(gè)電容并聯(lián)，尤其是大的電解電容，就可以得到干凈的電壓源。圖9：三只電容并聯(lián)計(jì)算出的頻率響應(yīng)。本文結(jié)論為了實(shí)現(xiàn)更好的噪聲衰減，當(dāng)使用多只電容并聯(lián)時(shí)，應(yīng)選擇ESR與C各不相同的電容，這樣可以使衰減曲線從第一個(gè)極點(diǎn)開(kāi)始，一直到最后一個(gè)零點(diǎn)結(jié)束，容值最大的那只電容決定了衰減的起始頻率，容值最小的那只電容決定了衰減的終止頻率，并且務(wù)必減小

16、引線長(zhǎng)度，防止出現(xiàn)ESL。當(dāng)使用AP2121高PSRR、低噪聲線性電壓調(diào)整器時(shí)，只需要使用一顆片式陶瓷電容，推薦值1uF。ESR值就是等效串聯(lián)電阻阻值。ESL值等效串聯(lián)電感值。這兩個(gè)值是描述電容的兩重要參數(shù)阻抗、感抗。也是形成容抗的基礎(chǔ)。ESR值越低越好，電容又不是電阻，干嗎要阻抗（不想要但一定會(huì)存在）。作者：王玉系統(tǒng)工程師BCD半導(dǎo)體制造有限公司電容濾波電路2007年10月11日 星期四 17:02濾波電路整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動(dòng)成分較大，在一些要求直流電平滑的場(chǎng)合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動(dòng)成分。一般直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來(lái)表示：脈動(dòng)

17、系數(shù)（S）GS0712例如，全波整流輸出電壓uL可用付氏級(jí)數(shù)展開(kāi)為：GS0713其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9 U2，故脈動(dòng)系數(shù)S0.67 。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S1.57，可見(jiàn)其脈動(dòng)系數(shù)是比較大的。一般電子設(shè)備所需直流電源的脈動(dòng)系數(shù)小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。最基本的濾波組件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗組件在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑

18、；或從另一角度來(lái)看，電容、電感對(duì)交、直流成分反映出來(lái)的阻抗不同，把它們合理地安排在電路中，即可達(dá)到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波作用。 常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類。其中無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型LC濾波，型LC濾波和型RC濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。 電容濾波半波整流電容濾波電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下電容C并聯(lián)于負(fù)載 RL的兩端，uLuC。在沒(méi)有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設(shè)在 t=0時(shí)接通電源，則當(dāng)u2由零逐漸增大時(shí)，二極管D

19、導(dǎo)通，除有一電流iL流向負(fù)載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負(fù)。如忽略二極管的內(nèi)阻，則uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 達(dá)到最大值以后開(kāi)始下降，此時(shí)電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)u2uc時(shí)，D因反偏而截止，于是C以一定的時(shí)間常數(shù)通過(guò)RL 按指數(shù)規(guī)律放電，uc下降。直到下一個(gè)正半周，當(dāng)u2 uc時(shí)，D又導(dǎo)通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍(lán)線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711 所示。從以上分析可以看出：1. 加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動(dòng)成分降低了。這都是由于電容的儲(chǔ)能作用