分析：電路中的旁路電容的原理及其應(yīng)用技巧

電容器的這兩個功能(或功能)都在旁路電容器中使用。

想象一下,您已經(jīng)設(shè)計了一個不錯的運算放大器電路,并開始對其進(jìn)行原型設(shè)計,但失望地發(fā)現(xiàn)該電路無法按預(yù)期工作或根本無法工作。造成這種情況的主要原因可能是來自電源或內(nèi)部 IC 電路的噪聲,甚至來自相鄰 IC 的噪聲可能已耦合到電路中。

來自電源的噪聲(規(guī)則的尖峰脈沖)是不希望的,必須不惜一切代價消除。旁路電容器是防止電源上有害噪聲的第一道防線。

什么是旁路電容器?

通常在集成電路的 VCC 和 GND 引腳之間施加一個旁路電容器。旁路電容器消除了電源電壓尖峰的影響,并降低了電源噪聲。

使用“旁路電容器”這個名稱是因為它旁路了電源的高頻分量。它也被稱為去耦電容器,因為它可以將電路的一部分與另一部分解耦(通常,來自電源或其他 IC 的噪聲被分流,并且在電路的另一部分上的影響減小了)。

旁路電容器通常應(yīng)用于電路的兩個位置:一個位于電源上,另一個位于每個有源設(shè)備(模擬或數(shù)字 IC)上。

位于電源附近的旁路電容器通過存儲電荷并在必要時釋放電荷(通常在出現(xiàn)尖峰時)來消除電源中的電壓降。

來到 IC 的 VCC 和 GND 引腳附近放置的旁路電容器將能夠滿足開關(guān)電路(數(shù)字 IC)的瞬時電流需求,因為寄生電阻和電感會延遲瞬時電流的傳遞。

旁路電容器如何消除電源噪聲?

要了解旁路電容器如何消除噪聲,您需要首先了解電容器在直流和交流下的工作方式。當(dāng)電容器跨接在直流電源上時(例如示例中的電池),在電介質(zhì)上會產(chǎn)生電場,導(dǎo)體之一上帶有正電荷,而另一導(dǎo)體上帶有負(fù)電荷。

電容器充電時,瞬態(tài)電流從電源中流出。但是,當(dāng)電容器上的電荷達(dá)到最大值(由 Q = CV 確定)時,電容器導(dǎo)電板之間的電場會使電源的電場無效,并且不再有電荷流過電容器。

因此,在直流電路中,電容器充電至電源電壓并阻止任何電流流過該電容器。

當(dāng)電容器跨時變交流電源連接時,由于充電和放電循環(huán),電流流過的電阻很小或沒有電阻。

請記住,將旁路電容器跨接在電源上時,它為從電源到地的噪聲(本質(zhì)上是交流信號)提供了一條低電阻路徑。因此,旁路電容器利用交流信號將電源旁路。

由于 DC 被電容器阻止,它將通過電路而不是通過電容器接地,這就是旁路電容使用的原因,該電容器也稱為去耦電容器。

旁路電容器注意事項

沒有旁路電容或旁路不當(dāng)?shù)碾娐窌a(chǎn)生嚴(yán)重的電源干擾,并可能導(dǎo)致電路故障。因此,電路中必須使用適當(dāng)?shù)呐月冯娙荨?/p>

以下是選擇旁路電容器時必須考慮的一些注意事項。

● 電容器種類

● 電容器放置

● 電容器尺寸

● 輸出負(fù)載效應(yīng)

● 電容器種類

在高頻電路中,旁路電容器的引線電感是重要的因素。在> 100MHz 之類的高頻下切換時,電源軌上會產(chǎn)生高頻噪聲,并且電源中的這些諧波與高引線電感一起將導(dǎo)致電容器充當(dāng)開路。

電容器在需要時提供必要的電流,以維持穩(wěn)定的電源。因此,當(dāng)從設(shè)備(集成電路)的內(nèi)部噪聲中選擇用于旁路電源的電容器時,必須選擇低引線電感的電容器。

MLCC 或多層陶瓷貼片電容器是旁路電源的首選。

電容器放置

旁路電容器的放置非常簡單。通常,旁路電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備的電源引腳放置。如果距離增加,PCB 上的多余粘性會轉(zhuǎn)化為串聯(lián)電感器和串聯(lián)電阻器,從而降低電容器的有用帶寬。

因此,電源引腳和旁路電容器之間較長的 PCB 走線會增加電感,并且會破壞首先引入旁路電容器的目的。

電容器尺寸

確定電容器的尺寸時,要考慮兩件事。

從低到高切換引腳時所需的電流量

最大脈沖擺率可計算電容器的最大電流

輸出負(fù)載效應(yīng)

如果輸出負(fù)載是純電阻性的,則頻率不會影響輸出的上升和下降時間。但是,如果輸出負(fù)載是電容性的,則頻率的增加將導(dǎo)致更高的瞬態(tài)電流和電源振蕩。

旁路電容在電路設(shè)計中的應(yīng)用

在哪里使用旁路電容器?

下圖顯示了分壓器偏置放大器的電路圖。電阻 R1,R2,RC 和 RE 有助于晶體管以 Q 點偏置在負(fù)載線的中間。電阻 RE 為 Q 點增加了穩(wěn)定性。

輸入和輸出端分別有兩個耦合電容器 C1 和 C2。C1 將交流信號源耦合到晶體管的基極,而 C2 將放大信號耦合到負(fù)載。

但是討論的設(shè)備是旁路電容 CE。由于交流信號的放大,發(fā)射極電流很大。如果沒有旁路電容,則大的交流發(fā)射極電流流經(jīng)發(fā)射極電阻 RE,RE 兩端的交流壓降很大。

當(dāng) RE 兩端的電壓降減去 Vin 時,這將導(dǎo)致較小的交流基極電流。因此,輸出電壓降低,電壓增益急劇降低。

我們需要提供一個低阻抗路徑,以使交流發(fā)射極電流從發(fā)射極流到地,以防止電壓增益損失。這可以通過在發(fā)射極和地之間連接一個電容器來實現(xiàn),該電容器可以用作旁路電容器,以旁路交流發(fā)射極電流。

幾乎所有的模擬和數(shù)字設(shè)備都使用旁路電容器。在這兩種器件中,旁路電容器(通常為 0．1?F 的電容器)都非常靠近電源引腳放置。電源也使用旁路電容器,它們通常是較大的 10?F 電容器。

旁路電容器的值取決于器件,在電源情況下,其值在 10?F 至 100?F 之間;在 IC 情況下,其值通常為 0．1?F,或由工作頻率決定。

如果設(shè)備的帶寬約為 1MHz,則使用 1pF 旁路電容。如果帶寬約為 10MHz 或更高,則使用 0．1?F 電容器。

在某些應(yīng)用中,并聯(lián)的旁路電容器網(wǎng)絡(luò)用于過濾寬范圍的頻率。

電路中的每個有源器件都必須在電源引腳附近放置一個旁路電容器。如果有多個旁路電容器,則必須將較小容量的電容器放置在靠近設(shè)備的地方。

在模擬電路中,旁路電容器通常會將電源上的高頻分量定向到地面。否則,這些信號將通過電源引腳進(jìn)入敏感的模擬 IC。如果在模擬電路中未使用旁路電容器,則很有可能會將噪聲引入信號路徑。

在帶有微處理器和控制器的數(shù)字電路中,旁路電容器的使用略有不同。數(shù)字電路中旁路電容器的主要功能是充當(dāng)電荷儲存器。

在邏輯門以高頻開關(guān)的數(shù)字電路中,在開關(guān)期間需要大電流。寄生電阻和電感將不允許開關(guān)過程中突然需要大電流。

因此,旁路放置在盡可能靠近電源引腳的位置,以減小寄生電感,它將在電源接通之前提供瞬時電流。

旁路電容器的應(yīng)用

旁路電容器的主要目的是在通過所需的 DC 的同時分流電源的不良高頻分量。以下是旁路電容器的三個主要應(yīng)用領(lǐng)域。

補(bǔ)償當(dāng)前需求

需要時,使用旁路電容器提供必要的電流。例如,從放大器到揚聲器的驅(qū)動電流根據(jù)信號而變化,并且放大器輸出的電流需求取決于信號的強(qiáng)度。

輸出端的這種變化的電流導(dǎo)致從電源汲取的變化的電流。功率的這些變化會引起波動,該波動可能會通過電源作為噪聲耦合到信號線。

旁路電容器可以用作臨時電流源,有助于減少波動。

電源濾波器

在電源中,通常使用 100?F 或 1000?F 或更大的大型旁路電容器來過濾整流正弦波的紋波。

數(shù)字系統(tǒng)

在數(shù)字電路中,所有 IC 的 VCC 和 GND 引腳之間都使用一個旁路電容器。這有助于在 IC 的一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的電源,并消除高頻信號進(jìn)入電源。此外,它們還充當(dāng)快速開關(guān)電路中的瞬時電流提供者。

審核編輯 黃昊宇