資料介紹
電容種類繁雜,但無論再怎么分類,其基本原理都是利用電容對交變信號呈低阻狀態(tài)。交變電流的頻率f越高,電容的阻抗就越低。旁路電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路;去耦電容的主要功能是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件,以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地,加入去耦電容后電壓的紋波干擾會(huì)明顯減??;濾波電容常用于濾波電路中。
對于理想的電容器來說,不考慮寄生電感和電阻的影響,那么在電容設(shè)計(jì)上就沒有任何顧慮,電容的值越大越好。但實(shí)際情況卻相差很遠(yuǎn),并不是電容越大對高速電路越有利,反而小電容才能被應(yīng)用于高頻。
濾波電容用在電源整流電路中,用來濾除交流成分,使輸出的直流更平滑。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方,用來消除自激,使放大器穩(wěn)定工作。旁路電容用在有電阻連接時(shí),接在電阻兩端使交流信號順利通過。
1、關(guān)于去耦電容蓄能作用的理解
(1)去耦電容主要是去除高頻如RF信號的干擾,干擾的進(jìn)入方式是通過電磁輻射。而實(shí)際上,芯片附近的電容還有蓄能的作用,這是第二位的。你可以把總電源看作水庫,我們大樓內(nèi)的家家戶戶都需要供水,這時(shí)候,水不是直接來自于水庫,那樣距離太遠(yuǎn)了,等水過來,我們已經(jīng)渴的不行了。實(shí)際水是來自于大樓頂上的水塔,水塔其實(shí)是一個(gè)buffer的作用。如果微觀來看,高頻器件在工作的時(shí)候,其電流是不連續(xù)的,而且頻率很高,而器件VCC到總電源有一段距離,即便距離不長,在頻率很高的情況下,阻抗Z=i*wL+R,線路的電感影響也會(huì)非常大,會(huì)導(dǎo)致器件在需要電流的時(shí)候,不能被及時(shí)供給。而去耦電容可以彌補(bǔ)此不足。這也是為什么很多電路板在高頻器件VCC管腳處放置小電容的原因之一(在Vcc引腳上通常并聯(lián)一個(gè)去耦電容,這樣交流分量就從這個(gè)電容接地。
(2)有源器件在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開關(guān)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(gè)局部的直流電源給有源器件,以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。
2、旁路電容和去耦電容的區(qū)別
去耦:去除在器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入到配電網(wǎng)絡(luò)中的RF能量。去耦電容還可以為器件提供局部化的DC電壓源,它在減少跨板浪涌電流方面特別有用。
旁路:從元件或電纜中轉(zhuǎn)移出不想要的共模RF能量。這主要是通過產(chǎn)生AC旁路消除無意的能量進(jìn)入敏感的部分,另外還可以提供基帶濾波功能(帶寬受限)。
我們經(jīng)??梢钥吹?,在電源和地之間連接著去耦電容,它有三個(gè)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(chǎn)生的高頻噪聲,切斷其通過供電回路進(jìn)行傳播的通路;
三是防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾。
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(gè)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)電容也稱退耦電容,是把輸出信號的干擾作為濾除對象。
從電路來說,總是存在驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大,驅(qū)動(dòng)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(shí)候,電流比較大,這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)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(huì)產(chǎn)生反彈),這種電流相對于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲,會(huì)影響前級的正常工作,這就是耦合。
去耦電容就是起到一個(gè)電池的作用,滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。
旁路電容實(shí)際也是去耦合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關(guān)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(qū)動(dòng)電流的變化大小來確定。
去耦和旁路都可以看作濾波。去耦電容相當(dāng)于電池,避免由于電流的突變而使電壓下降,相當(dāng)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(shí)間的大小來計(jì)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(gè)RLC串聯(lián)模型。在某個(gè)頻率,會(huì)發(fā)生諧振,此時(shí)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(huì)發(fā)現(xiàn)一般都是一個(gè)V形的曲線。具體曲線與電容的介質(zhì)有關(guān),所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質(zhì),一個(gè)比較保險(xiǎn)的方法就是多并幾個(gè)電容。
去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個(gè)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(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)在高頻時(shí)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(yán)格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。
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