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  • 本文主要讲述了滤波电容为何大小电容并联
  • 电路中,一个容量很大的电解电容C1(2200µF)与一个容量很的电容C2(0.01µF)并联,C2是高频滤波电容,用来进行高频成分的滤波,这种一大一两个电容相并联的电路在电源电路中十分常见。1.高频干扰由于交流电网中...

    图2-12所示是电源滤波电路中的高频滤波电路。电路中,一个容量很大的电解电容C1(2200µF)与一个容量很小的电容C2(0.01µF)并联,C2是高频滤波电容,用来进行高频成分的滤波,这种一大一小两个电容相并联的电路在电源电路中十分常见。

    1.高频干扰

    由于交流电网中存在大量的高频干扰,所以要求在电源电路中对高频干扰成分进行滤波。电源电路中的高频滤波电容就是起这一作用的。

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    图2-12 高频滤波电容电路

    2.理论容抗与实际情况矛盾

    从理论上讲,在同一频率下容量大的电容其容抗小,图2-12中这样一大一小两电容相并联,容量小的电容C2似乎不起什么作用。但是,由于工艺等原因,大容量电容C1存在感抗特性,在高频情况下C1的阻抗为容抗与感抗的串联,因为频率高,所以感抗大,限制了C1对高频干扰的滤除作用。

    3.高频滤波电容

    为了补偿大电容C1在高频情况下的这一不足,而并联一个小电容C2。小电容的容量小,制造时可以克服电感特性,所以小电容C2几乎不存在电感。电路的工作频率高时,小电容C2的容抗已经很小,这样,高频干扰成分通过小电容C2滤波到地。

    4.大电容的工作状态

    整流电路输出的单向脉动性直流电中绝大部分是频率比较低的交流成分,小电容对低频交流成分的容抗大而相当于开路,因而,对低频成分主要是大电容C1在工作,所以流过C1的是低频交流成分,图2-13是低频成分电流回路示意图。

    5.小电容的工作状态

    对于高频成分而言,频率比较高,大电容C1因为感抗特性而处于开路状态,小电容C2容抗远小于C1的阻抗,处于工作状态,它滤除各种高频干扰,所以流过C 2 的是高频成分,图 2-14是高频成分电流回路示意图。

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    图2-13 低频成分电流回路示意图

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    图2-14 高频成分电流回路示意图

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  • 电容种类繁杂,但无论再怎么分类,其基本原理都是利用电容对交变信号呈低阻状态。交变电流的频率f越高,电容...滤波电容常用于滤波电路中。对于理想的电容器来说,不考虑寄生电感和电阻的影响,那么在电容设计上就没...

    电容种类繁杂,但无论再怎么分类,其基本原理都是利用电容对交变信号呈低阻状态。交变电流的频率f越高,电容的阻抗就越低。旁路电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路;去耦电容的主要功能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,加入去耦电容后电压的纹波干扰会明显减小;滤波电容常用于滤波电路中。

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    对于理想的电容器来说,不考虑寄生电感和电阻的影响,那么在电容设计上就没有任何顾虑,电容的值越大越好。但实际情况却相差很远,并不是电容越大对高速电路越有利,反而小电容才能被应用于高频。

    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耦电容,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提供局部化的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。

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    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。

    从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作,这就是耦合。

    去耦电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。

    旁路电容实际也是去耦合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10u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。

    去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电池,避免由于电流的突变而使电压下降,相当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大,对更高频率的噪声,基本无效。旁路电容就是针对高频来的,也就是利用了电容的频率阻抗特性。电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率,会发生谐振,此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图,就会发现一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有关,所以选择旁路电容还要考虑电容的介质,一个比较保险的方法就是多并几个电容。

    去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的分布电感的典型值是5μH。0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说,对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF左右。最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。

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  • 在调试硬件电路时,当并联小滤波电容不焊接时,发现电压纹波很大(当然是相对而言),焊接后,效果较好,大概峰峰值降低了300mV,随机对该问题展开调查。一开始一直沉迷于公式 XC=1/2*PI*f*C,但是计算后感觉还是...

    在调试硬件电路时,当并联的小滤波电容不焊接时,发现电压纹波很大(当然是相对而言),焊接后,效果较好,大概峰峰值降低了300mV,随机对该问题展开调查。

    一开始一直沉迷于公式 XC=1/2*PI*f*C,但是计算后感觉还是有出入(也有可能是我算的不对,有理解的深,希望能给与交流),然后就查看了一些资料,前人经验:

    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.

    为什么在一个大的电容上还并联一个小电容

    因为大电容由于容量大,所以体积一般也比较大,且通常使用多层卷绕的方式制作(动手拆过铝电解电容应该会很有体会,没拆过的也可以拿几种不同的电容拆来看看),这就导致了大电容的分布电感比较大(也叫等效串联电感,英文简称ESL)。大家知道,电感对高频信号的阻抗是很大的,所以,大电容的高频性能不好。而一些小容量电容则刚刚相反,由于容量小,因此体积可以做得很小(缩短了引线,就减小了ESL,因为一段导线也可以看成是一个电感的),而且常使用平板电容的结构,这样小容量电容就有很小的ESL,这样它就具有了很好的高频性能,但由于容量小的缘故,对低频信号的阻抗大。所以,如果我们为了让低频、高频信号都可以很好的通过,就采用一个大电容再并上一个小电容的方式。常使用的小电容为0.1uF的瓷片电容,当频率更高时,还可并联更小的电容,例如几pF、几百pF的。而在数字电路中,一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0.1uF的电容到地(这电容叫做去耦电容,当然也可以理解为电源滤波电容。它越靠近芯片的位置越好),因为在这些地方的信号主要是高频信号,使用较小的电容滤波就可以了。

    原谅我只是一个搬运工,不过我觉得这个分析的挺到位,有大神能用公式推导出来的麻烦给私信一下,谢谢

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  • 滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用,如何正确选择滤波电容,尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员都十分关心的问题。我们在电源滤波电路上可以看到各种各样的电容,100uF,10uF,100nF,10nF不同的容...

     滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用,如何正确选择滤波电容,尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员都十分关心的问题。我们在电源滤波电路上可以看到各种各样的电容,100uF,10uF,100nF,10nF不同的容值,那么这些参数是如何确定的?

    50Hz工频电路中使用的普通电解电容器,其脉动电压频率仅为100Hz,充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数,所需的电容量高达数十万μF,因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主,电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。

    而开关电源中的输出滤波电解电容器,其锯齿波电压频率高达数十kHz,甚至是数十MHz,这时电容量并不是其主要指标,衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性,要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗,同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

    普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性,无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子,正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极,负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入,经过电容内部,再从另一个正端流向负载;从负载返回的电流也从电容的一个负端流入,再从另一个负端流向电源负端。

    由于四端电容具有良好的高频特性,为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式,即将铝箔分成较短的若干段,用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子,提高了电容器承受大电流的能力。

    数字电路要运行稳定可靠,电源一定要”干净“,并且能量补充一定要及时,也就是滤波去耦一定要好。什么是滤波去耦,简单的说就是在芯片不需要电流的时候存储能量,在你需要电流的时候我又能及时的补充能量。不要跟我说这个职责不是DCDC、LDO的吗,对,在低频的时候它们可以搞定,但高速的数字系统就不一样了。

    先来看看电容,电容的作用简单的说就是存储电荷。我们都知道在电源中要加电容滤波,在每个芯片的电源脚放置一个的电容去耦。等等,怎么我看到要些板子芯片的电源脚旁边的电容是的或者的,有什么讲究吗。要搞懂这个道道就要了解电容的实际特性。理想的电容它只是一个电荷的存储器,即C。而实际制造出来的电容却不是那么简单,分析电源完整性的时候我们常用的电容模型如下图所示:

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    图中ESR是电容的串联等效电阻,ESL是电容的串联等效电感,C才是真正的理想电容。ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的,没法消除。那这两个东西对电路有什么影响。ESR影响电源的纹波,ESL影响电容的滤波频率特性。

    我们知道电容的容抗Zc=1/ωC,电感的感抗Zl=ωL,(ω=2πf),实际电容的复阻抗为Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf L-1/j2πfC。可见当频率很低的时候是电容起作用,而频率高到一定的时候电感的作用就不可忽视了,再高的时候电感就起主导作用了。电容就失去滤波的作用了。所以记住,高频的时候电容就不是单纯的电容了。实际电容的滤波曲线如下图所示:

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    上面说了电容的等效串联电感是电容的制造工艺和材料决定的,实际的贴片陶瓷电容的ESL从零点几nH到几个nH,封装越小ESL就越小。

    从上面电容的滤波曲线上我们还看出并不是平坦的,它像一个’V’,也就是说有选频特性,在时候我们希望它是越平越好(前级的板级滤波),而有时候希望它越越尖越好(滤波或陷波)。影响这个特性的是电容的品质因素Q, Q=1/ωCESR,ESR越大,Q就越小,曲线就越平坦,反之ESR越小,Q就越大,曲线就越尖。

    通常钽电容和铝电解有比较小的ESL,而ESR大,所以钽电容和铝电解具有很宽的有效频率范围,非常适合前级的板级滤波。也就是在DCDC或者LDO的输入级常常用较大容量的钽电容来滤波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和的电容来去耦,陶瓷电容有很低的ESR。

    说了那么多,那到底我们在靠近芯片的管脚处放置还是,下面列出来给大家参考。

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    所以,以后不要见到什么都放的电容,有些高速系统中这些的电容根本就起不了作用。

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