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原创 滤波电容、去耦电容、旁路电容的作用

2012-12-22 22:00 1058 0 2 分类: 模拟 文集: 模电

 

   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。 
   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。 
   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。

1.关于去耦电容蓄能作用的理解

 

1)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。
      而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。


     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,
     这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,
     等水过来,我们已经渴的不行了。
     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。

     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,
     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,
     阻抗Z=i*wL+R,线路的电感影响也会非常大,
     会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。
     而去耦电容可以弥补此不足。
     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

   (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。)

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  

     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

2.旁路电容和去耦电容的区别

     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。 
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)。

 

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。 

     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


    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
容量选择:
(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
(2)小电容,凭经验,一般104即可
1、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。
2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
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。
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.

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?
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。
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: 
(1)选择整流二极管; 
(2)选择滤波电容; 
(3)另:电容滤波是降压还是增压?
(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。 
(2)选取滤波电容:1、电压大于28.2V;2、求C的大小:公式RC≥(3--5)×0.1秒,本题中R=24V/0.5A=48欧 
所以可得出C≥(0.00625--0.0104)F,即C的值应大于6250μF。 
(3)电容滤波是升高电压。

滤波电容的选用原则

在电源设计中,滤波电容的选取原则是:      C≥2.5T/R
                                     其中: C为滤波电容,单位为UF;
                                                T为频率, 单位为Hz
                                                R为负载电阻,单位为Ω
   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.


3.滤波电容的大小的选取 
                                        PCB制版电容选择
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
用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ,C取2.2~4.7μF
      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,还
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
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
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
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
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
的瞬时电流,建议再加一个比较大的钽电容。
      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。
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到
10个uF,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
一般为0.1或0.01uF
      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
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
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
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
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
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
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
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
用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.
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。
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,
(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)
这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/2
在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。
因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
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。
至于到底用多大的电容,这是一个参考
             电容谐振频率
电容值                DIP (MHz)              STM (MHz)
1.0μF                 2.5                     5
0.1μF                 8                       16
0.01μF                25                      50
1000pF                 80                      160
100 pF                 250                     500
10 pF                  800                     1.6(GHz)
不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说——主要靠经验。
更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。
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

具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。
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
,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
FSR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后,对干扰的抑制就大打
折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?
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
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
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
尽可能靠近地了.
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值
,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?
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
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,如22pf0402电容的
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?
知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作
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,
LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.

 

 

 

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文章评论 2条评论)

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1031075447_670116503 2014-5-7 15:07

学习了

yxrlh327_818573914 2013-1-2 21:45

讲解清晰,学习了
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