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  • 耦合电容原理

    千次阅读 2021-05-29 16:13:52
    1.那么电容是如何将前端的电传递到后端的呢? **常用的耦合结构模型如下: 我们要分析Vin的信号如何传递到Vout端,需要用到一个高通滤波器模型,因为最终Vout是要连接下一端电路的。在这里我们可以把它简化为负载...

    耦合即把一端的能量传递到另一端去,有光耦合、电耦合等,本文主要介绍电耦合。
    **

    1.那么电容是如何将前端的电传递到后端的呢?

    **常用的耦合结构模型如下:
    在这里插入图片描述

    我们要分析Vin的信号如何传递到Vout端,需要用到一个高通滤波器模型,因为最终Vout是要连接下一端电路的。在这里我们可以把它简化为负载电阻R,则模型如下:

    在这里插入图片描述
    这就是一个高通滤波器,将Vin端的信号传递到Vout端,我们只需要用阻抗、容抗计算Vout端的电压即可。Vout=VinR/(R+1/(2/πfC))。这里的f是Vin端信号的频率。
    我们要保证Vin的信号较好的传递到Vout端,那么需要一个衡量的尺度截止频率,这个概念不懂的自己百度,截止频率Ft=1/(2πR*C)。即如果要保证信号的传递不失真,则电路的R、C、f需要满足这个公式。
    **

    2.那么到底电子是如何从Vin端传递到Vout端呢?

    我们暂时假设100M的正弦波信号需要从Vin传递到Vout端,Vpp=1V,电压向上偏移1v,即Vin端产生的信号为1----2V的正弦信号。
    信号上升阶段,即Vin的信号从1V上升到2V,此时电子传递模型如下:
    **

    加粗样式

    **在这里插入图片描述

    正弦波上升时期,Vin对电容C1充电,则电子逐渐聚集到电容C1的左电极上。此时Vout相对GND端,输出正的电压,逐渐升高;
    正弦波信号下降阶段,即Vin的信号从2V逐渐下降到1V,此时电子的传递模型如下:
    在这里插入图片描述

    正弦波下降阶段,C1左电极上的电子开始想Vin方向传递,Vout端的电流传递是从GND向Vout,表现为Vout端的电压为负电压。
    因此交流信号通过如上模型,传递到Vout端。
    **

    3.假如Vin的频率很低,接近0hz,或者远低于截止频率,Vout端的电压如何?

    首先Vin输出的信号为直流时,Vout端的电压为0,因为根据上图电子传递模型,C1左端的电压不发生变化,没有电子传递,则Vout=0.
    当Vin的信号频率远低于截止频率时,Vin的信号通过C1到达Vout后,Vout的信号幅度衰减很大,根据问题1的电压计算公式可以计算出来,如果信号远远低于截止频率,那么Vout的电压也可能会衰减为0.

    **

    4.正常输出时Vout单端的信号波形如何?

    当我们用电容进行耦合输出时,即使我们Vin端输出的电压为1v—2v的正弦波信号,因为耦合电容的作用,Vout端的输出电压则为-0.5v到0.5v的正弦波信号,这也就是耦合电容的特性,隔离直流分量,只输出交流信号。

    5.电容的选型问题?

    通过我们上面的分析,电容的容量选择越大越好,那么信号的截止频率就会很小,信号不会衰减厉害。但是呢,电容量选的越大,则电容的ESR参数会越大,对信号的干扰越大,因此我们倾向于选择ESR损耗小的电容进行耦合。

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  • 导读:耦合电容主要用于工频高压及超高压交流输电线路中,以实现载波、通讯、测量、控制、保护及抽取电能等目的。那么,耦合电容到底是怎样的呢?... 二、耦合电容原理及作用  1.耦合电容的工作原理
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  • 电容耦合是什么?

    2021-10-02 16:06:49
    我们经常遇到一个词,叫做电容耦合。不过有很多的朋友尽管很熟悉电容耦合却并不知道它具体是什么。今天我们就来解决这个问题,电容耦合是什么?哪里会发生?有什么应用? 耦合是什么: 说的更加通俗一点,就是...

      我们经常遇到一个词,叫做电容耦合。不过有很多的朋友尽管很熟悉电容耦合却并不知道它具体是什么。今天我们就来解决这个问题,电容耦合是什么?哪里会发生?有什么应用?

      耦合是什么 :

      说的更加通俗一点,就是两个电路之间电能(信息、电流...)的短距离传送。比方说两条线通过耦合器相连接,但要是用很长的数据线,那就不叫耦合了。

      举个例子,电脑连接这鼠标,这两个电路相连产生了公共阻抗(阻抗就是电路里面对电流的阻碍,包含电阻,电容抗,电感抗),然后就产生了耦合。

     电容耦合是什么,在哪里发生,有什么应用:

      电容耦合是耦合的一种,别名电场耦合(因为电容耦合其实就是电场力的耦合),经典耦合。直接讲电容耦合这个词的话有时指的是分布电容耦合,有时指的是用电容来进行耦合。

      1.分布电容耦合

      分布电容存在于很多仪器之中,只要两个有压差的绝缘体之间(比方说两条绝缘导线)就会有,所以是非常普遍的,所以电容耦合也是非常普遍的。两条信号线如果发生了电容耦合就会产生串扰,造成噪音,这也是电容耦合不好的地方,在这些情况下需要通过增大引线距离减少电容耦合。

      2.用电容进行耦合

      有别于上面的有害情况,在电子电工技术中,人类也人为用电容创造耦合,来传递信息。

      比方说下面这种:

      

      一看上面这张图大家可能就看出这种电容耦合的特点了,电容有隔直流通交流的作用,通过电容的耦合作用,两个设备可以单独供电,并且能够正常传递信号。

    还有下面这种:

      电容的一段接地,显然这时候,高频信号可以轻易通过,所以高频的电流直接就从这里流走了,剩下来的就是直流和低频的。这就是旁路和退耦的原理。

      

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    自举电路也叫升压电路,是利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件,使电容放电电压和电源电压叠加,从而使电压升高,有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。

    MOS管自举电路原理

    举个简单的例子:有一个12V的电路,电路中有一个场效应管需要15V的驱动电压,这个电压怎么弄出来?就是用自举。通常用一个电容和一个二极管,电容存储电荷,二极管防止电流倒灌,频率较高的时候,自举电路的电压就是电路输入的电压加上电容上的电压,起到升压的作用。

    自举电路只是在实践中定的名称,在理论上没有这个概念。自举电路主要是在甲乙类单电源互补对称电路中使用较为普遍。甲乙类单电源互补对称电路在理论上可以使输出电压Vo达到Vcc的一半,但在实际的测试中,输出电压远达不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一个高于Vcc的电压。所以采用自举电路来升压。

    常用自举电路(摘自fairchild,使用说明书AN-6076《供高电压栅极驱动器IC 使用的自举电路的设计和使用准则》)the boost converter,或者叫step-up converter,是一种开关直流升压电路,它可以是输出电压比输入电压高。假定那个开关(三极管或者mos管)已经断开了很长时间,所有的元件都处于理想状态,电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。

    MOS管自举电容工作原理

    自举电容,内部高端MOS需要得到高出IC的VCC的电压,通过自举电路升压得到,比VCC高的电压,否则,高端MOS无法驱动。

    自举是指通过开关电源MOS管和电容组成的升压电路,通过电源对电容充电致其电压高于VCC。最简单的自举电路由一个电容构成,为了防止升高后的电压回灌到原始的输入电压,会加一个Diode.自举的好处在于利用电容两端电压不能突变的特性来升高电压。举个例子来说,如果MOS的Drink极电压为12V,Source极电压原为0V,Gate极驱动电压也为12V,那么当MOS在导通瞬间,Soure极电压会升高为Drink减压减去一个很小的导通压降,那么Vgs电压会接近于0V,MOS在导通瞬间后又会关断,再导通,再关断。如此下去,长时间在MOS的Drink极与Source间通过的是一个N倍于工作频率的高频脉冲,这样的脉冲尖峰在MOS上会产生过大的电压应力,很快MOS管会被损坏。

    如果在MOS的Gate与Source间接入一个小电容,在MOS未导通时给电容充电,在MOS导通,Source电压升高后,自动将Gate极电压升高,便可使MOS保持继续导通。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    上管关闭下管打开/下管关闭上管打过程中

    升压自举电路原理

    自举电路也叫升压电路,利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件,使电容放电电压和电源电压叠加,从而使电压升高.有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。

    升压电路原理

    **举个简单的例子:**有一个12V的电路,电路中有一个场效应管需要15V的驱动电压,这个电压怎么弄出来?就是用自举。通常用一个电容和一个二极管,电容存储电压,二极管防止电流倒灌,频率较高的时候,自举电路的电压就是电路输入的电压加上电容上的电压,起到升压的作用。

    升压电路只是在实践中定的名称,在理论上没有这个概念。升压电路主要是在甲乙类单电源互补对称电路中使用较为普遍。甲乙类单电源互补对称电路在理论上可以使输出电压Vo达到Vcc的一半,但在实际的测试中,输出电压远达不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一个高于Vcc的电压。所以采用升压电路来升压。

    开关直流升压电路(即所谓的boost或者step-up电路)原理the boost converter,或者叫step-up converter,是一种开关直流升压电路,它可以是输出电压比输入电压高。基本电路图见图1.
    在这里插入图片描述

    假定那个开关(三极管或者mos管)已经断开了很长时间,所有的元件都处于理想状态,电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。

    充电过程

    在充电过程中,开关闭合(三极管导通),等效电路如图二,开关(三极管)处用导线代替。这时,输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加,这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。

    在这里插入图片描述

    放电过程

    如图,这是当开关断开(三极管截止)时的等效电路。当开关断开(三极管截止)时,由于电感的电流 保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电, 电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。

    在这里插入图片描述

    说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。如果电容量足够大,那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复,就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

    在这里插入图片描述

    常用升压电路

    P 沟道高端栅极驱动器

    直接式驱动器:适用于最大输入电压小于器件的栅- 源极击穿电压。

    开放式收集器:方法简单,但是不适用于直接驱动高速电路中的MOSFET。

    电平转换驱动器:适用于高速应用,能够与常见PWM 控制器无缝式工作。


    直接式驱动器:MOSFET最简单的高端应用,由PWM 控制器或以地为基准的驱动器直接驱动,但它必须满足下面两个条件:

    1、VCC

    2、Vdc

    浮动电源栅极驱动器:独立电源的成本影响是很显著的。光耦合器相对昂贵,而且带宽有限,对噪声敏感。

    变压器耦合式驱动器:在不确定的周期内充分控制栅极,但在某种程度上,限制了开关性能。但是,这是可以改善的,只是电路更复杂了。

    电荷泵驱动器:对于开关应用,导通时间往往很长。由于电压倍增电路的效率低,可能需要更多低电压级泵。

    自举式驱动器:简单,廉价,也有局限;例如,占空比和导通时间都受到刷新自举电容的限制。

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  • 1.洞洞板电路和等效电路示意图(本次实验结果只针对该电路,电路不同,不能生搬硬套,重点是理解其中原理) 2.1k电阻,大容量470uF电容,稳定下来时的波形: 由于大容量电容阻抗小(1/jwC),信号不会怎么衰减...

    1.洞洞板电路和等效电路示意图(本次实验结果只针对该电路,电路不同,不能生搬硬套,重点是理解其中原理)

    2.1k电阻,大容量470uF电容,稳定下来时的波形:

     由于大容量电容阻抗小(1/jwC),信号不会怎么衰减,因此电容两端波形幅值差不多

    3.若改为小容量电容,先看初上电时候的波形:

    这里可以看到,信号发生器的输出有一个频率逼近的稳定过程

    另外,一开始前后级直流部分幅值是一致的,因为上电瞬间上升沿很抖,容抗表现几乎为0,电容两端电压都一下子拉到直流电压点。另外的话呢,直流部分在电容右侧会逐步衰减,衰减的速率和容值成反比,和负载电阻大小成反比(\tau =RC),容值越大,此时存储的电荷越多(Q=CU),电阻越大,则电流越小,放电时间越久(Q=It)

    3.改为小容量电容一段时间后稳定下来的波形:

    可以看到,信号在经过电容后,不仅幅值衰减了,连相位也变了。这里物理上的解释我还没有搞的太明白,不敢在这里班门弄斧,但是有数学上的解释可以看哈:

    U' = (U/(R+1/jwC))*R =(U*R/(R^2+1/(w^2*C^2))))*(R-1/jwC) =(U*R/(R^2+1/(w^2*C^2))))*(R+(1/wC)*j)

     那可以看到,相位主要是受到R和1/wC之间的比例影响的(主要受电容影响,因为正常阻值的电阻都会显得比较大,电阻换的很小会导致负载很大,信号源带不动,整体幅值会下降很厉害),由于现在用的电容比较小,那1/wC这一项也就有了影响,因此能看到明显的相变(实际上相变是一直存在的,只是电容大电阻大时候看不出来)

    4.以下改变电阻值的几个实验视频记录,去探讨电阻在其中的作用(主要影响整体幅值,因为电阻对电流影响大,信号源带载能力的问题)

    耦合电容电路实验

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空空如也

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电容耦合原理