旁路電容和耦合電容詳解

1、關(guān)于旁路電容和耦合電容精講從電路來說,總是存在驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載.如果負載電容比較大,驅(qū)動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產(chǎn)生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作.這就是耦合. 去藕電容就是起到一個電池的作用,滿足驅(qū)動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾. 旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑.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

2、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)動電流的變化大小來確定. 旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源.這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別. 去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲.數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1F.這個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,對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用.1F、10F的電容,并行共振頻率在20M

3、Hz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的,這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(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格,可按C=1/F,即10MHz取0.1F,100MHz取0.01F. 分布電容是指由非形態(tài)電容形成的一種分布參數(shù).一般是指在印制板或其他形態(tài)的電路形式,在線與線之間、印制板的上下層之間形成的電容.這種電容的容量很小,但可能對電路形成一定的影響.在對印制板進行設(shè)計時一定要充分考慮這種影響,尤其是在工作頻率很高的時候.也成為寄生電容,制造時一定會產(chǎn)生,只是大小

4、的問題.布高速PCB時,過孔可以減少板層電容,但會增加電感. 分布電感是指在頻率提高時,因?qū)w自感而造成的阻抗增加. 電容器選用及使用注意事項: 1,一般在低頻耦合或旁路,電氣特性要求較低時,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、延時電路、音調(diào)電路中,電容器容量應(yīng)盡可能與計算值一致.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,對同兩級精度的要求不太嚴格. 3,電容器額定電壓應(yīng)高于實際工作電壓,并要有足夠的余地,一般選用耐壓值為實際工作電壓兩倍以上的電容器. 4,優(yōu)先選用

5、絕緣電阻高,損耗小的電容器,還要注意使用環(huán)境. 我們知道,一般我們所用的電容最重要的一點就是濾波和旁路,我在設(shè)計中也正是這么使用的.對于高頻雜波,一般我的經(jīng)驗是不要過大的電容,因為我個人認為,過大的電容雖然對于低頻的雜波過濾效果也許比較好,但是對于高頻的雜波,由于其諧振頻率的下降,使得對于高頻雜波的過濾效果不很理想.所以電容的選擇不是容量越大越好. 疑問點: 1.以上都是我的經(jīng)驗,沒有理論證實,希望哪位可以在理論在幫忙解釋一下是否正確.或者推薦一個網(wǎng)頁或者網(wǎng)站. 2.是不是超過了諧振頻率,其阻抗將大大增加,所以對高頻的過濾信號,其作用就相對減小了呢? 3.理想的濾波點是不是在諧振頻率這點上?(

6、沒有搞懂中) 4.以前只知道電容的旁路作用是隔直通交,現(xiàn)在具體于PCB設(shè)計中,電容的這一旁路作用具體體現(xiàn)在哪里? 在用電容抑制電磁騷擾時,最容易忽視的問題就是電容引線對濾波效果的影響.電容器的容抗與頻率成反比,正是利用這一特性,將電容并聯(lián)在信號線與地線之間起到對高頻噪聲的旁路作用.然而,在實際工程中,很多人發(fā)現(xiàn)這種方法并不能起到預期濾除噪聲的效果,面對頑固的電磁噪聲束手無策.出現(xiàn)這種情況的一個原因是忽略了電容引線對旁路效果的影響. 實際電容器的電路模型是由等效電感(ESL)、電容和等效電阻(ESR)構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò). 理想電容的阻抗是隨著頻率的升高降低,而實際電容的阻抗是圖1所示的網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性

7、,在頻率較低的時候,呈現(xiàn)電容特性,即阻抗隨頻率的增加而降低,在某一點發(fā)生諧振,在這點電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR.在諧振點以上,由于ESL的作用,電容阻抗隨著頻率的升高而增加,這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性.在諧振點以上,由于電容的阻抗增加,因此對高頻噪聲的旁路作用減弱,甚至消失. 電容的諧振頻率由ESL和C共同決定,電容值或電感值越大,則諧振頻率越低,也就是電容的高頻濾波效果越差.ESL除了與電容器的種類有關(guān)外,電容的引線長度是一個十分重要的參數(shù),引線越長,則電感越大,電容的諧振頻率越低.因此在實際工程中,要使電容器的引線盡量短. 根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理,諧振點不僅與電感有關(guān),還與電容值

8、有關(guān),電容越大,諧振點越低.許多人認為電容器的容值越大,濾波效果越好,這是一種誤解.電容越大對低頻干擾的旁路效果雖然好,但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振,阻抗開始隨頻率的升高而增加,因此對高頻噪聲的旁路效果變差.表1是不同容量瓷片電容器的自諧振頻率,電容的引線長度是1.6mm(你使用的電容的引線有這么短嗎?).表1電容值 自諧振頻率(MHz) 電容值 自諧振頻率(MHz)1m F 1.7 820 pF 38.50.1m F 4 680 pF 42.50.01m F 12.6 560 pF 453300pF 19.3 470 pF 491800 pF 25.5 390 pF 541100pF

9、33 330 pF 60 盡管從濾除高頻噪聲的角度看,電容的諧振是不希望的,但是電容的諧振并不是總是有害的.當要濾除的噪聲頻率確定時,可以通過調(diào)整電容的容量,使諧振點剛好落在騷擾頻率上. 從電路來說,總是存在驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載.如果負載電容比較大,驅(qū)動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產(chǎn)生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作.這就是耦合. 去藕電容就是起到一個電池的作用,滿足驅(qū)動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾. 旁

10、路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑.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)動電流的變化大小來確定. 去耦和旁路都可以看作濾波.正如ppxp所說,去耦電容相當于電池,避免由于電流的突變而使電壓下降,相當于濾紋波.具體容值可以根據(jù)電流的大小、期望的紋波大小、作用時間的大小來計算.去耦電容一般都很大,對更高頻率的噪聲,基本無效.旁路電容就是針對高頻來的,也就是利用了電容的頻率阻抗特性.電容一般都可以看成一個RLC串聯(lián)模型.在某個頻率,會發(fā)生諧

11、振,此時電容的阻抗就等于其ESR.如果看電容的頻率阻抗曲線圖,就會發(fā)現(xiàn)一般都是一個V形的曲線.具體曲線與電容的介質(zhì)有關(guān),所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質(zhì),一個比較保險的方法就是多并幾個電容. 去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲.數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1F.這個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,對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用.1F、10F的電容,并行共振頻率在20MHz以上,去除高頻噪聲的效果

12、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的,這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(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格,可按C=1/F,即10MHz取0.1F,100MHz取0.01F. 一般來說,容量為uf級的電容,象電解電容或鉭電容,他的電感較大,諧振頻率較小,對低頻信號通過較好,而對高頻信號,表現(xiàn)出較強的電感性,阻抗較大,同時,大電容還可以起到局部電荷池的作用,可以減少局部的干擾通過電源耦合出去;容量為0.0010.1uf的電容,一般為陶瓷電容或云母電容,電感小,諧振頻率高,對高頻信號的阻抗較

13、小,可以為高頻干擾信號提供一條旁路,減少外界對該局部的耦合干擾,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,電容所處的位置不同,稱呼就不一樣了.對于同一個電路來說,旁路(bypass)電容是把輸入信號中的高頻噪聲作為濾除對象,把前級攜帶的高頻雜波濾除,而去耦(decoupling,也稱退耦)電容是把輸出信號的干擾作為濾除對象.在供電電源和地之間也經(jīng)常連接去耦電容,它有三個方面的作用: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,切斷其通過供電回路進行傳播的通路;三是防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾. 我來總結(jié)一下,旁路實際上就是給高頻干擾提供一個到地的能量釋放途徑,不同

14、的容值可以針對不同的頻率干擾.所以一般旁路時常用一個大貼片加上一個小貼片并聯(lián)使用.對于相同容量的電容的Q值我認為會影響旁路時高頻干擾釋放路徑的阻抗,直接影響旁路的效果,對于旁路來說,希望在旁路作用時,電容的等效阻抗越小越好,這樣更利于能量的排泄. 數(shù)字電路輸出信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流,在供電線和電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降,使供電電壓產(chǎn)生跳變,產(chǎn)生阻抗噪聲(亦稱開關(guān)噪聲),形成干擾源. 一、沖擊電流的產(chǎn)生: (1)輸出級控制正負邏輯輸出的管子短時間同時導通,產(chǎn)生瞬態(tài)尖峰電流 (2)受負載電容影響,輸出邏輯由“0”轉(zhuǎn)換至“1”時,由于對負載電容的充電而產(chǎn)生瞬態(tài)尖峰電流. 瞬態(tài)尖峰電流可

15、達50ma,動作時間大約幾ns至幾十ns. 二、降低沖擊電流影響的措施: (1)降低供電電源內(nèi)阻和供電線阻抗 (2)匹配去耦電容 三、何為去耦電容 在ic(或電路)電源線端和地線端加接的電容稱為去耦電容. 四、去耦電容如何取值 去耦電容取值一般為0.010.1uf,頻率越高,去耦電容值越小. 五、去耦電容的種類 (1)獨石 (2)玻璃釉 (3)瓷片 (4)鉭 六、去耦電容的放置 去耦電容應(yīng)放置于電源入口處,連線應(yīng)盡可能短.旁路電容不是理論概念,而是一個經(jīng)常使用的實用方法,在50 - 60年代,這個詞也就有它特有的含義,現(xiàn)在已不多用.電子管或者晶體管是需要偏置的,就是決定工作點的直流供電條件.例

16、如電子管的柵極相對于陰極往往要求加有負壓,為了在一個直流電源下工作,就在陰極對地串接一個電阻,利用板流形成陰極的對地正電位,而柵極直流接地,這種偏置技術(shù)叫做“自偏”,但是對(交流)信號而言,這同時又是一個負反饋,為了消除這個影響,就在這個電阻上并聯(lián)一個足夠大的點容,這就叫旁路電容.后來也有的資料把它引申使用于類似情況. 去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲.數(shù)字電路中典型的去耦電容值是 0.1F.這個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,對于 10MHz

17、以下的噪聲有較好的去耦效果,對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用.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的,這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(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格,可按C=1/F,即10MHz取0.1F,100MHz取 0.01F. 一般來說,容量為uf級的電容,象電解電容或鉭電容,他的電感較大,諧振頻率較小,對低頻信號通過較好,而對高頻信號,表現(xiàn)出較強的電感性,阻抗較大,同時,大電容還可以起到局部電荷池的作用,

18、可以減少局部的干擾通過電源耦合出去;容量為0.0010.1uf的電容,一般為陶瓷電容或云母電容,電感小,諧振頻率高,對高頻信號的阻抗較小,可以為高頻干擾信號提供一條旁路,減少外界對該局部的耦合干擾 旁路是把前級或電源攜帶的高頻雜波或信號濾除;去藕是為保正輸出端的穩(wěn)定輸出(主要是針對器件的工作)而設(shè)的“小水塘”,在其他大電流工作時保證電源的波動范圍不會影響該電路的工作;補充一點就是所謂的藕合:是在前后級間傳遞信號而不互相影響各級靜態(tài)工作點的元件 有源器件在開關(guān)時產(chǎn)生的高頻開關(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局部的直流電源給有源器件,以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到地.

19、 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,電容所處的位置不同,稱呼就不一樣了.很多電子產(chǎn)品中,電容器都是必不可少的電子元器件,它在電子設(shè)備中充當整流器的平滑濾波、電源和退耦、交流信號的旁路、交直流電路的交流耦合等.由于電容器的類型和結(jié)構(gòu)種類比較多,因此,使用者不僅需要了解各類電容器的性能指標和一般特性,而且還必須了解在給定用途下各種元件的優(yōu)缺點、機械或環(huán)境的限制條件等.本文介紹電容器的主要參數(shù)及應(yīng)用,可供讀者選擇電容器種類時用. 1、標稱電容量(CR):電容器產(chǎn)品標出的電容量值. 云母和陶瓷介質(zhì)電容器的電容量較低(大約在5000pF以下);紙、塑料和一些陶瓷介質(zhì)形式的電容量居中(

20、大約在0005F10F);通常電解電容器的容量較大.這是一個粗略的分類法. 2、類別溫度范圍:電容器設(shè)計所確定的能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍,該范圍取決于它相應(yīng)類別的溫度極限值,如上限類別溫度、下限類別溫度、額定溫度(可以連續(xù)施加額定電壓的最高環(huán)境溫度)等. 3、額定電壓(UR):在下限類別溫度和額定溫度之間的任一溫度下,可以連續(xù)施加在電容器上的最大直流電壓或最大交流電壓的有效值或脈沖電壓的峰值. 電容器應(yīng)用在高壓場合時,必須注意電暈的影響.電暈是由于在介質(zhì)/電極層之間存在空隙而產(chǎn)生的,它除了可以產(chǎn)生損壞設(shè)備的寄生信號外,還會導致電容器介質(zhì)擊穿.在交流或脈動條件下,電暈特別容易發(fā)生.對于所有的電容

21、器,在使用中應(yīng)保證直流電壓與交流峰值電壓之和不的超過直流電壓額定值. 4、損耗角正切(tg):在規(guī)定頻率的正弦電壓下,電容器的損耗功率除以電容器的無功功率. 這里需要解釋一下,在實際應(yīng)用中,電容器并不是一個純電容,其內(nèi)部還有等效電阻,它的簡化等效電路如下圖所示.圖中C為電容器的實際電容量,Rs是電容器的串聯(lián)等效電阻,Rp是介質(zhì)的絕緣電阻,Ro是介質(zhì)的吸收等效電阻.對于電子設(shè)備來說,要求Rs愈小愈好,也就是說要求損耗功率小,其與電容的功率的夾角要小. 這個關(guān)系用下式來表達: tg=Rs/Xc=2fcRs 因此,在應(yīng)用當中應(yīng)注意選擇這個參數(shù),避免自身發(fā)熱過大,以減少設(shè)備的失效性. 5、電容器的溫度

22、特性:通常是以20基準溫度的電容量與有關(guān)溫度的電容量的百分比表示. 補充: 1、電容在電路中一般用“C”加數(shù)字表示(如C13表示編號為13的電容).電容是由兩片金屬膜緊靠,中間用絕緣材料隔開而組成的元件.電容的特性主要是隔直流通交流. 電容容量的大小就是表示能貯存電能的大小,電容對交流信號的阻礙作用稱為容抗,它與交流信號的頻率和電容量有關(guān). 容抗XC=1/2f c (f表示交流信號的頻率,C表示電容容量)電話機中常用電容的種類有電解電容、瓷片電容、貼片電容、獨石電容、鉭電容和滌綸電容等. 2、識別方法:電容的識別方法與電阻的識別方法基本相同,分直標法、色標法和數(shù)標法3種.電容的基本單位用法拉(

23、F)表示,其它單位還有:毫法(mF)、微法(uF)、納法(nF)、皮法(pF).其中:1法拉=103毫法=106微法=109納法=1012皮法 容量大的電容其容量值在電容上直接標明,如10 uF/16V 容量小的電容其容量值在電容上用字母表示或數(shù)字表示 字母表示法:1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF 數(shù)字表示法:一般用三位數(shù)字表示容量大小,前兩位表示有效數(shù)字,第三位數(shù)字是倍率. 如:102表示10102PF=1000PF 224表示22104PF=0.22 uF 3、電容容量誤差表 符 號 F G J K L M 允許誤差 1% 2% 5% 10% 15% 20% 如

24、:一瓷片電容為104J表示容量為0. 1 uF、誤差為5%. 6使用壽命:電容器的使用壽命隨溫度的增加而減小.主要原因是溫度加速化學反應(yīng)而使介質(zhì)隨時間退化. 7絕緣電阻:由于溫升引起電子活動增加,因此溫度升高將使絕緣電阻降低. 電容器包括固定電容器和可變電容器兩大類,其中固定電容器又可根據(jù)所使用的介質(zhì)材料分為云母電容器、陶瓷電容器、紙/塑料薄膜電容器、電解電容器和玻璃釉電容器等;可變電容器也可以是玻璃、空氣或陶瓷介質(zhì)結(jié)構(gòu).以下附表列出了常見電容器的字母符號. 電容分類介紹 名稱:聚酯(滌綸)電容(CL) 符號: 電容量:40p-4u 額定電壓:63-630V 主要特點:小體積,大容量,耐熱耐濕

25、,穩(wěn)定性差 應(yīng)用:對穩(wěn)定性和損耗要求不高的低頻電路 名稱:聚苯乙烯電容(CB) 符號: 電容量:10p-1u 額定電壓:100V-30KV 主要特點:穩(wěn)定,低損耗,體積較大 應(yīng)用:對穩(wěn)定性和損耗要求較高的電路 名稱:聚丙烯電容(CBB) 符號: 電容量:1000p-10u 額定電壓:63-2000V 主要特點:性能與聚苯相似但體積小,穩(wěn)定性略差 應(yīng)用:代替大部分聚苯或云母電容,用于要求較高的電路 名稱:云母電容(CY) 符號: 電容量:10p-0.1u 額定電壓:100V-7kV 主要特點:高穩(wěn)定性,高可靠性,溫度系數(shù)小 應(yīng)用:高頻振蕩,脈沖等要求較高的電路 名稱:高頻瓷介電容(CC) 符號: 電容量:1-6800p 額定電壓:63-500V 主要特點:高頻損耗小,穩(wěn)定性好 應(yīng)用:高頻電路 名稱:低頻瓷介電容(CT) 符號: 電容量:10p-4.7u 額定電壓:50V-100V 主要特點:體積小,價廉,損耗大,穩(wěn)定性差 應(yīng)用:要求不高的低頻電路 名稱:玻璃釉電容(CI) 符號: 電容量:10p-0.1u 額定電壓:63-400V 主要特點:穩(wěn)定性較好,損耗小