關于旁路電容和耦合電容

從電路來說,總是存在驅動的源和被驅動的負載.如果負載電容比較大,驅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.這應該是他們的本質區(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0.1μF.這個電容的分布電感的典型值是5μH.0.1μF的去耦電容有5μH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.1μF、10μF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10μF左右.最好不用電解電容,電解電容是兩層薄膜卷起來的,這種卷起來的結構在高頻時表現(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0.1μF,100MHz取0.01μF.

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,制造時一定會產生,只是大小的問題.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,因導體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、音調電路中,電容器容量應盡可能與計算值一致.在各種濾波及網(wǎng)(選頻網(wǎng)絡),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???(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)構成的串聯(lián)網(wǎng)絡. 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)絡的阻抗特性,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,還與電容值有關,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 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,總是存在驅動的源和被驅動的負載.如果負載電容比較大,驅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有關,所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質,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0.1μF.這個電容的分布電感的典型值是5μH.0.1μF的去耦電容有5μH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.1μF、10μF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10μF左右.最好不用電解電容,電解電容是兩層薄膜卷起來的,這種卷起來的結構在高頻時表現(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0.1μF,100MHz取0.01μF.

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0.001~0.1uf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,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成干擾.

我來總結一下,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換過程中會產生很大的沖擊電流,在供電線和電源內阻上產生較大的壓降,使供電電壓產生跳變,產生阻抗噪聲(亦稱開關噪聲),形成干擾源.

一、沖擊電流的產生:

(1)輸出級控制正負邏輯輸出的管子短時間同時導通,產生瞬態(tài)尖峰電流

(2)受負載電容影響,輸出邏輯由“0”轉換至“1”時,由于對負載電容的充電而產生瞬態(tài)尖峰電流. 瞬態(tài)尖峰電流可達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0.01~0.1uf,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

  去耦電容應放置于電源入口處,連線應盡可能短.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 0.1μF.這個電容的分布電感的典型值是5μH.0.1μF的去耦電容有5μH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.1μF、10μF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10μF左右.最好不用電解電容,電解電容是兩層薄膜卷起來的,這種卷起來的結構在高頻時表現(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0.1μF,100MHz取 0.01μF.

    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0.001~0.1uf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

    有源器件在開關時產生的高頻開關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,以減少開關噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到地.

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.