高速信號(hào)線上的濾波電容大小

我們經(jīng)常見到信號(hào)中串有耦合電容，如下結(jié)構(gòu)。

AC耦合電容的作用有：

隔離直流分量;

允許電容兩端使用不同level的電壓值;

防止熱插拔時(shí)的瞬態(tài)電流;

協(xié)議要求，檢測對(duì)端用;

等等...

這些不是我們的重點(diǎn)，下面我們來直觀的看一下，信號(hào)通過電容后的影響;

對(duì)于一個(gè)沒有AC耦合電容的100MHz信號(hào)波形如下：

此時(shí)1V擺幅的波形中含有1V的直流分量;

信號(hào)過了220nF AC耦合電容后：

此時(shí)，經(jīng)過100nF耦合電容后，信號(hào)當(dāng)中的1V直流分量沒有了;

此時(shí)可以在電容后邊加上其他level的電平：

這就是信號(hào)通過AC耦合電容后，隔去直流成分，以及達(dá)到收發(fā)芯片使用不同電平的效果;

接下來，我們看一下容值的選擇：

電容的阻抗 Z=1/(2*pi*freq*C)

由此可見，當(dāng)選擇的電容過于小時(shí)，對(duì)于低頻部分阻抗越大，下面直觀觀察波形：

發(fā)送端驅(qū)動(dòng)一個(gè)上升跳變邊沿，波形如下：

在此基礎(chǔ)上，加上100nF的電容，波形如下：

此時(shí)，跳變信號(hào)經(jīng)過100nF電容后，幾乎沒有變化，減小電容為10pF時(shí)，波形如下：

逐漸增加電容大?。?/p>

由仿真波形，可以直觀的得出結(jié)論，電容容值越大，信號(hào)越可以順利通過;

這里就是一個(gè)電容充電的時(shí)間常數(shù)問題，τ=RC

而電容的電流 I(t)=A*(e的-t/RC)

從公式中可以看出，通過電容的電流迅速升高，然后按照上述公式，程倒指數(shù)下降，而下降的速度和指數(shù)的冪有關(guān)，冪越大，下降的越快，而當(dāng)冪當(dāng)中的τ，也就是RC的值越小時(shí)，電容電流下降的越快，相反，當(dāng)RC，也就是電容的值越大時(shí)，電容電流下降的越慢，如上圖，當(dāng)電容達(dá)到50nF時(shí)，幾乎能保持相當(dāng)?shù)臅r(shí)間了，足夠滿足100Mhz以上的信號(hào)了。

電容的電流見下圖：

可以看到，電容電流的形狀和通過電容后的波形形狀是一樣的;

通過演示，可以很直觀的了解信號(hào)通過電容后是什么樣的;

看樣子，電容要選大一點(diǎn)的;

當(dāng)然也不是越大越好，原因之一就是，電容都不是理想電容，還有寄生電感(ESL)和等效串聯(lián)電阻(ESR);

下面看一下在100nF的電容后面緊跟著一個(gè)10 mOhm的電阻，波形如下：

可以看到，波形幾乎沒有變化，由于寄生電阻很小，沒有構(gòu)成影響;

繼續(xù)串接一個(gè)0.4nH的電感，波形如下：

當(dāng)前上身邊沿為30ps，可見幾乎也沒有影響，下面來對(duì)比一下不同電感值的波形：

由此可見，當(dāng)電感大了之后，信號(hào)的邊沿會(huì)變緩，因?yàn)椋姼凶韪哳l，所以邊沿中的高頻成分有所衰減，但是電感要到幾nH之后才會(huì)體現(xiàn)出這種影響，而一般幾u(yù)F，幾百nF的電容寄生電感大概為0.4~0.6左右(因廠家、封裝而異)，因此一般選擇100nF、220nF的電容是比較合理的。

下面看一下電容容值和其寄生電感的值對(duì)頻譜的衰減程度：

不同容值電容的衰減頻譜

不同寄生電感的衰減頻譜

可以看到，實(shí)際的電容相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，而對(duì)于1nH的電感，高頻部分要到11GHz的頻率才衰減到-3dB。

對(duì)于電容容值的選擇，以及信號(hào)通過電容后的影響，我們已經(jīng)非常清楚了;

當(dāng)然電容不是越大越好的原因之二，就是電容大了之后封裝也會(huì)大，從而PCB的焊盤也會(huì)大，這對(duì)信號(hào)的阻抗會(huì)造成較大影響。