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  • 【电路】电容(四)——旁路电容
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    2022-05-03 18:06:31

    一、旁路电容

    旁路电容:是可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路滤掉的电容。 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,也称退耦)电容是把输出信号的干扰作为滤除对象。

    这是百度上对于旁路电容的介绍,说实话介绍的功能有点雷同于滤波电容,但我想了想,应该不止于这一个功能,上网查了查资料,今天来重新定义一下旁路电容

    旁路电容:就是在主路边上为了某些目的开辟了一条支路,这是一条为特定频率的信号开辟的低阻抗支路

    二、实例电路讲解

    共射极放大电路▼

    其中C3就是旁路电容,那么为什么C3会被称为旁路电容?

    射极放大电路涉及较多模电知识,这里就不一一讲解了,只挑关于旁路电容重要的讲

    电路乍一看很复杂,其实分成三部分就好了▼
    在这里插入图片描述

    2.1 信号的输入

    输入信号ui 通过C2进入三极管的基极(b),由于基极的电压已经被偏置,静态工作点Q确定,此时的交流信号ui可直接被放大

    因为交流信号太小太小,光是三极管发射结的死区电压也无法克服,自然也谈不上放大功能,所以需要一个外来电源帮助交流信号克服死区电压,并且抬高ui的工作点


    看不懂也没关系,只需要知道ui会被三极管放大

    在这里插入图片描述

    2.2 信号的放大

    ic是通过三极管将ib放大β倍的电流,它们两个加一起组成了射极电流(ie)

    此时ie有两条路,一条是R4,一条是C3

    对于电流来说,它肯定会走对它阻碍作用小的路,对于同一个量级的电阻和电容,电阻的阻抗是肯定会大于电容的,所以对于ie来说,它肯定优先走电容支路,这就是为什么叫旁路电容的原因,说白了就是在主路边上为了某些目的开辟了一条支路,这是一条为特定频率的信号开辟的低阻抗支路

    在这里插入图片描述

    2.3 电阻对放大效率的影响

    • ie就不能走电阻这条路吗?
      可以,但是效果不好
      如果去掉C3
      1.电阻的支路会产生功率,消耗一定的功率
      2.ie的路径有电阻,电流会减小,那么ib、ic也会随之跟着被影响减小,输出信号uo=Vcc - ic×R1 ,可见对输出信号也有一定的影响
    • 那这电阻R4不能去掉吗?
      1.接上电阻多了个负载,会分得功率,有功率就会发热,相当于帮助三极管散热,降低三极管e极对地的直流量,这样大幅减少三极管发热量,保护其稳定工作不被烧毁(这跟上一条不是冲突吗?其实任何事物都有两面性,没有绝对的合适,实际中需在两者间取舍,选择效果最好的进行设计)
      2.如果去掉电阻,开路,仅有电容是不可以让三极管产生持续电流Ice的,电容是隔绝直流的

    形象来说,电容的选择,和炒菜要放盐一样,多点少点都行,但是没有不行

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    旁路电容是把电源或者输入信号中的交流分量的干扰作为滤除对象。

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    有了旁路电容,将电源5V中的交流分量——波动进行滤除。将蓝色波形变成粉红色波形。一般来说,靠近电源放置。

    去耦电容是芯片的电源管脚,由于自身用电过程中信号跳变产生的电源管脚对外的波形输出,我们用电容进行滤除。

    把信号电源管脚,输出干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。

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    尖峰电流的形成:

    数字电路输出高电平时从电源拉出的电流Ioh和低电平输出时灌入的电流Iol的大小一般是不同的,即:Iol>Ioh。以下图的TTL与非门为例说明尖峰电流的形成:

    c2023bf00f53c9d713ee591e2e00fe01.png

    输出电压如右图(a)所示,理论上电源电流的波形如右图(b),而实际的电源电流保险如右图(c)。由图(c)可以看出在输出由低电平转换到高电平时电源电流有一个短暂而幅度很大的尖峰。尖峰电源电流的波形随所用器件的类型和输出端所接的电容负载而异。

           产生尖峰电流的主要原因是:

           输出级的T3、T4管短设计内同时导通。在与非门由输出低电平转向高电平的过程中,输入电压的负跳变在T2和T3的基极回路内产生很大的反向驱动电流,由于T3的饱和深度设计得比T2大,反向驱动电流将使T2首先脱离饱和而截止。T2截止后,其集电极电位上升,使T4导通。可是此时T3还未脱离饱和,因此在极短得设计内T3和T4将同时导通,从而产生很大的ic4,使电源电流形成尖峰电流。图中的R4正是为了限制此尖峰电流而设计。

    这应该是他们的本质区别。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。电容如果容值很大,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。只是旁路电容一般是针对外部噪声,也就是给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 ,而低频旁路电容一般比较大,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。

    旁路电容

    旁路电容(bypass)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。

     旁路电容的主要功能是产生一个交流分路,从而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。 通常铝电解电容和钽电 容比较适合作旁路电容,其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求,一般在10至470µF范围内。

    去耦电容

    去耦电容(decoupling)也称退耦电容,是把芯片的电源脚的输出的干扰作为滤除对象。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(电容对高频阻抗小,将之泻至GND)。

    数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压,会影响前级的正常工作。这就是耦合。对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件,应在芯片的电源线(Vcc)和地线(GND)间直接接入去耦电容。

    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0.01µ。

    案例分析:

    采用去耦和不采用去耦的缓冲电路(测量结果)

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    为带去耦电容器和不带去耦电容器(C1 和C2)情况下用于驱动 R-C 负载的缓冲电路。我们注意到,在不使用去耦电容器的情况下,电路的输出信号包含高频 (3.8MHz) 振荡。对于没有去耦电容器的放大器而言,通常会出现稳定性低、瞬态响应差、启动出现故障以及其它多种异常问题。

    带去耦合和不带去耦合情况下的电流

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    电源线迹的电感将限制暂态电流。去耦电容与器件非常接近,因此电流路径的电感很小。在暂态过程中,该电容器可在非常短的时间内向器件提供超大量的电流。未采用去耦电容的器件无法提供暂态电流,因此放大器的内部节点会下垂(通常称为干扰)。无去耦电容的器件其内部电源干扰会导致器件工作不连续,原因是内部节点未获得正确的偏置。

    良好与糟糕 PCB 板面布局的对比

    除了使用去耦电容器外,还要在去耦电容器、电源和接地端之间采取较短的低阻抗连接。将良好的去耦合板面布局与糟糕的布局进行了对比。应始终尝试着让去耦合连接保持较短的距离,同时避免在去耦合路径中出现通孔,原因是通孔会增加电感。大部分产品说明书都会给出去耦合电容器的推荐值。如果没有给出,则可以使用 0.1uF。

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    PCB布局时去耦电容摆放

    对于电容的安装,首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容,有最高的谐振频率,去耦半径最小,因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远,最外层放置容值最大的。但是,所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。

    下面的图1就是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。

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    还有一点要注意,在放置时,最好均匀分布在芯片的四周,对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置,一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此,电压扰动在芯片的四周都存在,去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部,由于存在去耦半径问题,那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。

     电容的安装

    在安装电容时,要从焊盘拉出一小段引出线,然后通过过孔和电源平面连接,接地端也是同样。这样流经电容的电流回路为:电源平面->过孔->引出线->焊盘->电容->焊盘->引出线->过孔->地平面,图2直观的显示了电流的回流路径。

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    第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔,这会引入很大的寄生电感,一定要避免这样做,这是最糟糕的安装方式。

    第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔,比第一种方法路面积小得多,寄生电感也较小,可以接受。

    第三种在焊盘侧面打孔,进一步减小了回路面积,寄生电感比第二种更小,是比较好的方法。

    第四种在焊盘两侧都打孔,和第三种方法相比,相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面,比第三种寄生电感更小,只要空间允许,尽量用这种方法。

    最后一种方法在焊盘上直接打孔,寄生电感最小,但是焊接是可能会出现问题,是否使用要看加工能力和方式。

    推荐使用第三种和第四种方法。

    需要强调一点:有些工程师为了节省空间,有时让多个电容使用公共过孔,任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容组合的设计,减少电容数量。

    由于印制线越宽,电感越小,从焊盘到过孔的引出线尽量加宽,如果可能,尽量和焊盘宽度相同。这样即使是0402封装的电容,你也可以使用20mil宽的引出线。引出线和过孔安装如图4所示,注意图中的各种尺寸。

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    旁路电容、滤波电容、去耦电容的作用与应用原理详解

     

    旁路电容的作用与应用原理详解

    关键字:bypass电容(3)滤波电容(18)旁路电容(4)

      在基本电路里面,我想讨论一下旁路电容。本文将讲述旁路电容的作用,讲述该在什么时候使用它们,以及你应该注意什么\以及旁路电容的作用。

      在电子电路词典里面可以找到旁路电容的定义:

      Bypass capacitor: A capacitor employed to conduct an alternaTIng current around a component or group of components. Often the AC is removed from an AC/DC mixture, the DC being free to pass through the bypassed component.

      旁路电容(bypass电容):用于导通或者吸收某元件或者一组元件中交流成分的一种电容。通常交直流中的交流部分被去除,而允许直流部分通过加有旁路电容的元件。

      实际上,大多数诸如微控制器(单片机)等的数字电路都是直流电路。这种电路里面的电压水平的变化会造成很多问题。如果电压变化太多,电路可能就会不正常地工作。对大多数情况来讲,纹波电压被认为是交流成分,旁路电容的目的就是要抑制这种交流成分,抑制这种电压噪声。旁路电容的另外一种说法就是滤波电容。

      旁路电容的作用

      在左边的电路图里面,你可以清楚地看到当使用了滤波电容以后电压噪声的变化情况。注意到两种电压的波动幅度的差别很小(在5到10毫伏)。这个图里面的电压是4.95~5.05V小幅电压。随机的电子噪声造成电压波动,正如图表里面显示那样,这种波动的部分通常被称为“噪声”或者“纹波”。蓝线代表的是没有使用的滤波电容的电压变化,粉红色线是使用了滤波电容了的。纹波电压在几乎所有的直流电路里面都是存在的。在粉红色曲线里面,即使使用了滤波电容以后电压变化幅度变小了,但是“变化”还是存在的,电压还是有纹波噪声。旁路电容的重要功能就是要减小电路里面的纹波的幅值。太大的纹波是极其有害的,使得电路不正常工作。纹波通常又是随机的,当然有时候电路里面其他元器件也会发出噪声。比如继电器和电机经常就能够使电压发生突然的波动,简直就像打破了池塘里面平静的水面一样。其它元器件使用的电流越大,这种纹波噪声的效应也就越明显。

      一个常见的问题就是这种小幅的纹波真的就那么值得注意么?是啊,电压水平不是足够精确了吗?答案取决于你设计的电路类型。如果你的电路只是用来将电机连上一个电池,或着点亮一个LED,那么电路里头的纹波恐怕对你来说并不要紧。但是,如果你在使用数字逻辑门电路,情况恐怕就不是那么简单了,纹波肯定能够给你的电路带来麻烦。

      首先让我们来考虑一下纹波电压造成的影响。基础电子理论告诉我们电压是势能的差别所引起的,而电流在这种势能的差别中流过;我们知道电压越高,电流越大;我们还知道电压的方向决定了电流的方向。

      看看右边的纹波电压图和纹波电流图的放大图。上面部分是两个纹波电压变化情况,和前一副图相似,蓝色的线代表没有使用旁路电容,另一个是使用了旁路电容了的。 沿着该图下面的横轴看,在点2处电压开始上升,而看看下面的纹波电流图,点2处的电流在一个方向有相对较高的幅值,对比一下,点5处电压和电流的方向是相反的。

     旁路电容的作用

      注意这种有没有旁路电容(bypass电容)时的差别。通过抑制纹波电压,旁路电容同时也抑制了纹波电流。我想说纹波电压图和纹波电流图很清晰地表达了交流成分的产生,也可以看到电压是如何变化的,以及纹波电流是如何改变方向的。即使这是一个DC电路,纹波也引起了交流成分。旁路电容能够减小AC组分。

      纹波电流就像电路中的涡流或者回流,随着电压和电流在电路里头的传播,电压差异和电流差异足以工作。比如,我们假定一个与门,其半导体门输入端保持稳定输入而使得输出保持在稳定状态,门电路里在电流沿着一个方向流经一个PN结的时候工作,如果电流停止了流动,晶体管也就关闭或者截止;如果纹波着相反的错误方向流动,门也就时常关闭,你得到的输出也会跟着改变。由于一个门可能与其他许多门连在一的效应会造成严重的错误。

      总之,旁路电容是用于在DC电路里头抑制AC成分的电容。通过使用旁路电容,你的DC电路将不会对纹波电压和纹波电流那么感冒。

      使用旁路电容(bypass电容)注意事项

      你在许多期刊杂志和书籍里头所看到的电路图都省略了旁路电容。因为他们以为你知道该把它们加入电路里头。而其他时候你或许会看到有一排电容藏在一个电路图的角落里头,似乎没有什么作用。它们通常就是旁路(或者滤波)电容。你只要随便翻开一个数字电路,都不难找到旁路电容的身影。

      最常看到旁路电容(bypass电容)的身影的地方就是直接将电源和地连在一起的旁路电容。正如左边图示的那样。这个简单的使用会允许VCC里头的AC成分直接导通到“地”GND。电容的作用也像蓄流一样,当电压因某种原因下降时 充电电容溢出部分电流来填充VCC里面的坑坑洼洼的地方。电容量的大小就决定了它能填充多大的坑洼(电压降),电容量越大能够填充抚平的坑洼也越大。通常使用的是 .1uF的电容。你也可以看到 .01uF也是常有的电容值。追求旁路电容的精确值并没有什么意义。

     旁路电容的作用

      因此,你究竟需要多少旁路电容呢?我最笨的做法就是在我每一个电路板上的IC旁边都有自己的旁路电容。实际上,我努力地将旁路电容的一头和Vcc或者GND引脚接在一起。这可能有点矫枉过正,可是过去的这种做法一直都还感觉不错。因此我也向你推荐此法。事实上,你甚至可以在所有DIP封装旁边都使用旁路电容。我认为你只要在每一平方英寸里面都有几个旁路电容,你就可以省心许多了!

      另外一个使用旁路电容(bypass电容)的地方就是在电源接头处。每当你使用一个电源线接上一个板子或者使用长导线的时候,我都建议你添加一个旁路电容。任何长度的导线都可以像一个小的天线一样,它能够从任何电磁场里面捕捉到电子噪声。我通常在这种长线的两端都加上旁路电容。

      旁路电容的类型特别重要。建议你使用独石瓷片电容。它们的体积小,便宜而且容易买到。我通常使用

      管脚间距为.1英寸或者.2英寸,容量 0.1uF 耐压50V精度为±20%的旁路电容;容量为.01uF的电容也行。我会避免使用大容量的旁路电容,因为他们的块头太大了。电解电容通常不适合作为旁路电容使用,因为他们通常都是大容量,且对高频响应并不理想。

      纹波的频率可以决定使用什么容量的电容。最精明的办法是,频率越高所需旁路电容容量越小。如果你的电路里头 有个高频元器件,你或许可以考虑并联使用一对电容,一个是大容量一个是小容量。如果你的电路里头纹波非常复杂,你可以多加几个旁路电容,每个电容对应于不同的纹波频率。你也可以加一个ElectrolyTIc capacitor以防低频纹波的幅值太大了。比如,右图中并联使用了三个不同容量的电容,每一个都对一个频率范围的纹波噪声起作用。C4是一个4.7uF电容,可以处理相对低频的电压纹波,C2可以处理中等频率,C3可以处理稍高点的频率,电容的响应频率由它的内部阻抗和感抗决定的。

     旁路电容的作用

      总结

      旁路电容(bypass电容)能够滤除电路里头的电子噪声,它们靠过滤由纹波电压引起的交流成分 。大多数数字电路都有几个旁路电容。最精明的办法就是在板子上的每一个集成电路旁边都使用旁路电容。旁路电容的常用容量数量级就是0.1uF。高频纹波需要更小容量的电容。

    http://www.elecfans.com/yuanqijian/dianrongqi/20160919436337.html

     

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    电容滤波的原理及作用

    简介:常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。 电容滤波为无源滤波,本文详细介绍了电容滤波的工作原理以及其作用。
      滤波电容的作用简单讲是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压,其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电,当整流电压低于电容电压时电容放电,在充放电的过程中,使输出电压基本稳定。
      滤波电容容量大,因此一般采用 电解电容,在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。
      ★当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时, 二极管D1和D3管导通,D2和D4管截止,电流一路流经负载 电阻RL,另一路对电容C充电。当uC>u2,导致D1和D3管反向偏置而截止,电容通过负载电阻R放电,uC按指数规律缓慢下降。

     


      ★当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时,D2和D4因加正向电压变为导通状态,u2再次对C充电,uC上升到u2的峰值后又开始下降;下降到一定数值时D2和D4变为截止,C对RL放电,uC按指数规律下降;放电到一定数值时D1和D3变为导通,重复上述过程。
      RL、C对充放电的影响:
      电容充电时间常数为rDC,因为二极管的rD很小,所以充电时间常数小,充电速度快;RLC为放电时间常数,因为RL较大,放电时间常数远大于充电时间常数,因此,滤波效果取决于放电时间常数。电容C愈大,负载电阻RL愈大,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大,如图所示。


      整流电路是将交流电变成直流电的一种电路,但其输出的直流电的脉动成分较大,而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于0.01.故整流输出的电压必须采取一定的措施.尽量降低输出电压中的脉动成分,同时要尽量保存输出电压中的直流成分,使输出电压接近于较理想的直流电,这样的电路就是直流电源中的滤波电路。
      常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、 LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤等)有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作电子滤波器。
      直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差。
      脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57,全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O.67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1)。(T为整流输出的直流脉动电压的周期。)
      RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图1虚线框即为加的一级RC滤波电路。若用S'表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R')S'。
      由分析可知,在ω值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好。而R值增大时,电阻上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C2的电容量,又会增大电容器的体积和重量,实现起来也不现实。
      为了解决这个矛盾,于是常常采用有源滤波电路,也被称作电子滤波器。电路如图2。它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件--晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。由图2可知,流过R的电流IR=IE(1+β)=IR(1+β)。流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β).所以可以采用较大的R,与C2配合以获得较好的滤波效果,以使C2两端的电压的脉动成分减小,输出电压和C2两端的电压基本相等,因此输出电压的脉动成分也得到了削减。
      从RL负载电阻两端看,基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路,相当于R减小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β)倍。这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1/β,比如晶体管的直流放大系数β=50,如果用一般RCπ滤波器所需电容容量为1000μF,如采用电子滤波器,那么电容只需要20μF就满足要求了。采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果,因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。

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    在担任应用工程师之前,我是 IC 测试开发工程师。我的项目之一是对 I2C 温度传感器进行特性描述。在编写一些软件之后,我手工焊接了一个原型设计电路板。由于时间仓促,我省去了比较麻烦的 去耦电容器 。谁会需要它呢,对吧?

    我收集数据大概有一个星期了,但获得的任何结果都无法与预期结果相匹配。于是我做了大量更改,试图提升性能,但都没有效果。最后,我决定添加一个去耦电容器,不出所料,问题解决了。

     

    这让我不禁思考,会不会总是需要使用去耦电容器?它的作用到底是什么?

    要回答这个问题,需要考证在不使用去耦器件时会出现什么问题。

    图 1 为带去耦电容器和不带去耦电容器(C1 和C2)情况下用于驱动 R-C 负载的缓冲电路。我们注意到,在不使用去耦电容器的情况下,电路的输出信号包含高频 (3.8MHz) 振荡。对于没有去耦电容器的放大器而言,通常会出现稳定性低、瞬态响应差、启动出现故障以及其它多种异常问题。

     


    图 1:采用去耦和不采用去耦的缓冲电路(测量结果)

     

    图 2 阐述了为什么去耦非常重要。需要注意的是,电源线迹的电感将限制暂态电流。

    去耦电容与器件非常接近,因此电流路径的电感很小。在暂态过程中,该电容器可在非常短的时间内向器件提供超大量的电流。

    未采用去耦电容的器件无法提供暂态电流,因此放大器的内部节点会下垂(通常称为干扰)。无去耦电容的器件其内部电源干扰会导致器件工作不连续,原因是内部节点未获得正确的偏置。

     


    图 2:带去耦合和不带去耦合情况下的电流

    除了使用去耦电容器外,您还要在去耦电容器、电源和接地端之间采取较短的低阻抗连接。

    图 3 将良好的去耦合板面布局与糟糕的布局进行了对比。您应始终尝试着让去耦合连接保持较短的距离,同时避免在去耦合路径中出现通孔,原因是通孔会增加电感。大部分产品说明书都会给出去耦合电容器的推荐值。如果没有给出,则可以使用 0.1uF。

     


    图 3:良好与糟糕 PCB 板面布局的对比

    正确连接去耦电容器会给您省去很多麻烦。即便在试验台上不使用去耦合电路也能工作得很好,但若进入量产阶段时再因工艺变化和其他实际因素的影响,您的产品可能就会出现这样或那样的问题。

    吸取我的教训吧,别掉进不使用去耦合的陷阱里!

    正确连接去耦电容器会给您省去很多麻烦。即便在试验台上不使用去耦合电路也能工作得很好,但若进入量产阶段时再因工艺变化和其他实际因素的影响,您的产品可能就会出现这样或那样的问题。

     吸取我的教训吧,别掉进不使用去耦合的陷阱里!

    特别感谢我的同事 Ichiro Itoi 和 Tim Green,是他们帮助我找

    出去耦合问题并获得实际的测量结果。

     

    阅读原文, 请参见 http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisiondesignshub/archive/2013/08/13/the-decoupling-capacitor-is-it-really-necessary.aspx

    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,而去耦电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。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。

    德州仪器工程师Art Kay为我们深入浅出并运用了实际的测量结果分析了去耦电容的作用,以及没有去耦电容会出现故障以及其它多种异常问题,提示工程师们吸取教训,别掉进不使用去耦合的陷阱里!

    ps:

    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。

    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。

     

    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。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。

      去藕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。

      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。

    相关作用

      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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    旁路电容0.1uF,是怎么来的?

    单片机与嵌入式 昨天

    以下文章来源于电子制作站 ,作者Jackie Long

    电子制作站

    电子制作站

    主要发布各种原创且实用的电子开发设计类文档,包括EDA工具/平台的学习指南、电子产品制作资料或教程及相关的内容,每周都会不定期进行内容的更新与发布!

    旁路电容在数字电路系统中所起的基本且重要作用,即储能与为高频噪声电流提供低阻抗路径,尽管还并未给旁路电容的这些功能概括一个“高大上”的名字,然而旁路电容所起的终极作用就是为了电源完整性(Power Integrity, PI),它与信号完整性(Signal Integrity, SI)均为高速数字PCB设计中的重要组成部分,后续有机会我们将会进行详细讲解。

     

     

    事实上,旁路电容的这两个基本功能在某种意义上来讲是完全统一的:你可以认为旁路电容的储能为高频开关切换(充电)提供瞬间电荷,从而避免开关产生的高频噪声向距离芯片更远的方向扩散,因为开关切换需要的能量已经在靠近芯片的旁路电容中获取到了,你也可以认为旁路电容提供了高频噪声电流的低阻抗路径,从而避免了高频开关时需要向更远的电源索取瞬间电荷能量。

     

    有一定经验的工程师都会发现:旁路电容的容值大多数为0.1uF(100nF),这也是数字电路中最常见的,如下图所示为FPGA芯片的旁路电容:

                               

    图片

     

     

    那这个值是怎么来的呢?这一节我们就来讨论一下这个问题。

     

    前面已经提到过,实际的电容器都有自谐振频率,考虑到这个因素,作为数字电路旁路电容的容量一般不超过 1uF,当然,容量太小也不行,因为储存的电荷无法满足开关切换时瞬间要求的电荷,那旁路电容的容量到底应该至少需要多大呢?我们用最简单的反相器逻辑芯片(74HC04)实例计算一下就知道了。

    实际芯片的每个逻辑门基本结构如下图所示(以下均来自Philips 74HC04数据手册)

    图片

     

    而每个CMOS反相器的基本结构如下图所示(具体参考文章【逻辑门(1)】):

     

     

    图片

    每个逻辑非门(Gate)由三个反相器串联组成,如下图所示(芯片为什么会这样设计可参考文章“逻辑门”):

    图片

     

    上图中,CI表示芯片信号引脚的输入电容(Input capacitance),CL表示输出负载电容(OutputLoad capacitance)。对于每一级反相器,后一级反相器的输入电容CI即作为前一级开关的输出负载电容,当然,反相器开关本身也会有一定的输出寄生电容,它们也包含在CL内,一个逻辑非门(包含三个反相器)的所有等效负载电容就是内部逻辑阵列开关在切换时需要向电源VDD索取能量的来源(换言之,开关切换时需要对这个等效负载电容进行充放电操作),这个逻辑阵列开关等效电容在数据手册中通常用CPD(power dissipation capacitance per gate)表示,如下图所示 :

    图片

     

    注意:在这个数据手册中,CPD是一个逻辑非门(Per Gate)的开关等效电容。

     

    在74HC04芯片中,CPD就相当于是CL1、CL2、CL3的等效电容(不一定是简单的相加),而CL4取决于芯片外接负载,因此,我们也可以将电路等效如下图所示:

    图片

     

     

     

    图片

     

    有人问:这个公式怎么来的?权威么?我书读得少,不要骗我!数据手册中有呀,如下图所示:

    图片

     

    上图中的公式分成了两个部分,但结构是一模一样的,前面一部分与我们给出的公式是相同的,表示芯片内部逻辑阵列开关等效负载电容CPD的功耗,而后一部分与芯片外接负载CL有关(也称之为等效IO开关电容),输出引脚IO连接有多少个负载,就将相应负载电容CL的功耗全部计算起来,如下图所示:

    图片

     

     

    有人问:输入电容CI就不计算进去吗?乖乖,对于芯片输出引脚连接的负载而言,负载的输入电容CI就是引脚的等效负载电容CL呀,输出负载连接(并联)越多,则等效负载电容CL就越大,消耗的功率也就越大,如下图所示:

    图片

     

    一般而言,CL(CI)值是总是相对容易找到的,数据手册中通常都会有,因为输出连接什么负载你肯定是知道的,但CPD却不一定在数据手册能查得到,因此,我们在计算芯片的功耗时可能会分为芯片内与芯片外两个部分。

     图片

     

    最基础的数据计算方法我们已经知道了,有两种方法可以估算旁路电容的最小容量:

     

    第一种计算方法思路:逻辑阵列开关等效电容(CPD)需要获取足够的电荷能量,那芯片的旁路电容的容量必定不能比芯片总CPD更小,通常旁路电容的容量比芯片总CPD大25~100倍,我们称其为旁路电容倍乘系数(bypass capacitor multiplier,这里取个中间数50),由于74HC04包含六个逻辑非门,从数据手册上也可以查到CPD约为21pF,因此,芯片总CPD应为21pF×6=126pF,再考虑到50倍的旁路电容系数,旁路电容的容量必须要大于126pF×50=6.3nF。

     

    以上计算的是芯片输出未连接负载的情况,假设反相器后面并接了10个逻辑非门(CMOS门电路的扇出系数一般为20~25),则此时等效电路如下图所示:

    图片

             对于门1 来说,此时芯片的输出负载电容CL=10×CI=10×7pF=70pF,对于整个系统而言,这个CL也可以算是门1的逻辑阵列开关等效电容,因为从图上可以看出,它消耗的是门1的电源能量(而不是门2~门11),这样根据上述同样的算法,门1外接旁路电容的容量至少应为(21pF+70pF)×50=4.55nF,当然,这只是一个逻辑非门的计算结果,如果芯片中其它5个非门也是同样的负载连接,则需要的旁路电容容量至少应为4.55nF×6=27.3nF,在考虑到电路设计裕量情况下,我们可以直接选择100nF的旁路电容。

     

    那功耗PD计算的意义在哪里?前面我们是走了狗屎运,芯片够简单,所以数据手册里提供了CPD的具体值,但更多的应用场合下是没有办法直接获取这个值的,我们看看更大规模集成芯片的情况。

     

    大规模逻辑芯片的旁路电容容量的计算原理也是大体一致的,逻辑阵列开关每秒钟转换的次数至少会以百方来计算(MHz),我们以ALTERA公司FPGA CYCLONE IV芯片来计算一下外接负载时负载电容(不包括内部逻辑开关阵列等效电容CPD,为什么?下面会提到)所消耗的功率。

    假设IO供电电源电压VCCIO为3.3V,时钟频率为100MHz,负载数量为30个(也就是输出外接了负载的IO引脚),输出引脚的平均负载电容为10pF,则旁路电容的容量至少应为:10pF×30×50=15000pF=15nF。

     

    对于FPGA之类的大规模集成芯片,内核电压VCCINT或IO电压VCCIO都会有多个,如果计算某一个电源引脚所需的旁路电容的容量,还需要除以这些电源引脚的个数,如下图所示:

    图片

     

    不同封装芯片的VCCIO数量是不一样的,F256/U256(BGA)封装有20个,而E144(QFP)封装只有12个,但是FPGA的VCCIO是按BANK来供电的(就是VCCIO后面带的那个数字,数字相同表示BANK相同,不了解FPGA的读者不必深究),不应该直接除了这个总数,如果这30个连接的负载分布在2个BANK,对于E144封装每个BANK约有2个VCCIO电源,仅需要除以数量4就行了,因此,单个电源引脚所需要的旁路电容容量应至少约为3.75nF。

     

    我们可以用灭火的水龙头来理解:当芯片只有一个电源引脚时,相当于灭火的水龙头只有一个,而芯片有多个电源引脚时,相当于灭火的水龙头有多个,在火灾危害程度相同的情况下,需要灭火的用水量是一定的,因此,对于有多个水龙头的情形而言,单个水龙头需要的用水量需求就少了,当然,总的用水量肯定是一样的,亦即总的旁路电容值是不会变化的。

     

    上面只是计算芯片外接负载时需要的旁路电容容量,那如何计算内部逻辑阵列等效电容呢?没办法直接去计算,除非知道具体的CPD的值(前面我们是走运),但是这个值通常是不提供的,因为这个值会随实际电路逻辑规模的大小与功能而有很大的不同,那就没有办法了吗?NO!

    我们可以用测量仪器实际测量出FPGA芯片在具体逻辑功能应用时所消耗的动态功率PD,或使用配套的功耗分析软件进行功耗的计算,总而言之,芯片逻辑阵开关等效电容的功耗PD的值总是可以获取出来的,再根据之前的功耗计算公式反推出CPD,如下所示:

     

     

     

    图片

     

    27.8nF已经不小了,再乘上50倍旁路电容的倍数,则旁路电容的总容量至少应为27.8nF×50=1390nF=1.39uF,因此,动态功耗越大的芯片需要在旁边放置更多的旁路电容就是这个道理。

     

    另外一个计算方法是:假定旁路电容的电荷量能将VDD变化量维持在某一特定范围内(比如VDD仅变化0.1V),我们根据逻辑阵列开关等效电容CPD的电荷消耗需求来估算旁路电容的容值,如下图所示:

    图片

    当PMOS管(上侧带圈圈)开关打开时,VDD电源对芯片逻辑阵列开关等效电容CPD充电,CPD电容两端的电压会上升,旁路电容C1两端的电压(VDD)将会下降,因为旁路电容C1的部分电荷已经转移到了CPD中,为了维持电压VDD变化不超过0.1V,我们可以根据需要转移的电荷量与VDD电压的允许变化量求出旁路电容的最小容量。

    我们还是以一个逻辑非门驱动10个逻辑非门的情况来计算CPD的大小,如下图所示:

    图片

    图片

     

     

    如果芯片中的其它5个逻辑非门也是同样的负载连接,则旁路电容的最小容量至少应为4.55nF×6=27.3nF,这个计算结果与前一种方法相差无几。在考虑设计裕量的情况下,我们也会使用100nF(0.1uF)的旁路电容。

     

    事实上,以上两者估算的本质是完全相同的,我们同样可以用水龙头的比喻来理解旁路电容容量的计算原理,但同一道菜上得太多就没意思了,我们换另做一道菜来吃:

     

    假设芯片逻辑开关总等效电容CPD(不仅包括芯片本身的CPD,也包括负载总电容CL)相当于一个取水的杯子,而旁路电容C1相当于储藏水源的地方,我们认为储水之地的水位相当于电源电压VDD,如果储水之地是一只盛满水的小碗,那么CPD这只杯子从小碗中取一杯水(也就是CPD充满电的总电荷)后,小碗中的水位就会下降(相当于电源VDD下降),因为两者储水的空间相差并不大,而如果储水之地是一大缸水,则从中取同样CPD一杯水对这缸水的水位影响非常小,因此,如果你想要这个水位(VDD)变化越小,则储水之地(旁路电容的容量)就必须比CPD要大得多。

    https://mp.weixin.qq.com/s/25ixHQn_I9meqf-5lRWHpg

     

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空空如也

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