请注意在开关电源的设计中,输入电容和输出电容常常包括两类电容,分别起不同的作用。
一类起减小输入输出纹波的作用,一般容值较大,容值的选取与纹波的要求以及电源的开关频率和设计有关。
另一类电容是高频耦和电容,一般容值较小,要求尽可能靠近芯片。
其容值的选取与要滤除的可能干扰信号的频率和幅度有关。
去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。
数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。
这个电容的分布电感的典型值是5μH。
0.1μF的去耦电容有5μH 的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说,对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。
1μF、10μF的电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频噪声的效果要好一些。
每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF左右。
最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。
要使用钽电容或聚碳酸酯电容。
去耦电容的选用并不严格,可按C=1/F,即10MHz取0 .1μF,100MHz取0.01μF。
去耦和旁路都可以看作滤波。
正如ppxp所说,去耦电容相当于电池,避免由于电流的突变而使电压下降,相当于滤纹波。
具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。
去耦电容一般都很大,对更高频率的噪声,基本无效。
旁路电容就是针对高频来的,也就是利用了电容的频率阻抗特性。
电容一般都可以看成一个RLC串联模型。
在某个频率,会发生谐振,此时电容的阻抗就等于其ESR。
如果看电容的频率阻抗曲线图,就会发现一般都是一个V形的曲线。
具体曲线与电容的介质有关,所以选择旁路电容还要考虑电容的介质,一个比较保险的方法就是多并几个电容。
从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。
如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。
这就是耦合。
去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。
旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容" style="color: blue; text-decoration: underline" href="/word/112155.aspx">耦合电容一般比较大,是10u或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定。
耦合指信号由第一级向第二级传递的过程,一般不加注明时往往是指交流耦合。
退耦是指对电源采取进一步的滤波措施,去除两级间信号通过电源互相干扰的影响。
耦合常数是指耦合电容值与第二级输入阻抗值乘积对应的时间常数。
耦合小知识:1 ,耦合,有联系的意思。
2 ,耦合元件,尤其是指使输入输出产生联系的元件。
3 ,去耦合元件,指消除信号联系的元件。
4 ,去耦合电容简称去耦电容。
5 ,例如,晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻,它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合,这个电阻就是产生了耦合的元件,如果在这个电阻两端并联一个电容,由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗(这需要计算)这样就减小了电阻产生的耦合效应,故称此电容为去耦电容。
退耦有三个目的:1. 将电源中的高频纹波去除,将多级放大器的高频信号通过电源相互串扰的通路切断;2. 大信号工作时,电路对电源需求加大,引起电源波动,通过退耦降低大信号时电源波动对输入级/ 高电压增益级的影响;
3. 形成悬浮地或是悬浮电源,在复杂的系统中完成各部分地线或是电源的协调匹配。
有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。
去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。
笔者在制作电路时,使用耦合电容发现很多问题,下面跟大家分享我的经验,由于实际电路拍照比较困难,所以这里只能贴仿真图了,不过它跟实际差不多(在真实硬件上测过)。
电路中常常要用到耦合电容,那么耦合电容应该选多大呢?
耦合电容的选择必须电路中的输入信号电压大小、频率及负载电阻来选择,比如电压为5V那么电容耐压就不能小于5V了,不过本文的重点是讨论容量大小的选择。
那么耦合电容的容量大小应如何选择呢?
本质:耦合电容与下一级的输入电阻构成了RC高通滤波器,为了保成输入信号下限频率能通过这一“RC高通滤波器”,RC高通滤波器的下限频率不能高于输入信号的频率。
相当于选择适当的电容来设计一个高通滤波器,以保证输入信号通不衰减通过,所以电容C可用公式计算出来,下面会给出公式。
我们来看下面一个实验,电路图如下所示,输入信号为频率为1Hz,大小为10mv.
可见此输入信号有两个特点,频率很低,幅度又很小。
按照常识,电容容量越大,信号的频率就可以越低,现在的输入信号频率为1Hz,
那么耦合电容的容量越大越好吗?请看下面的实验。
实验结果:
1.输入信号频率为1Hz,幅度10mV,负载电阻300K,耦合电容先0.4uF测得输入输出波形如下图所示,黄色为输入,绿色为输出。
可见输入信号经过耦合电容后,幅度被严重衰减,由此可知耦合电容选择过小。
耦合电容选择0.1uF-0.5uF期间,输入信号衰减比较严重。
结论:如果电路要求信号耦合之后不能衰减,那么耦合电容就不能小于0.5uF
2.输入信号频率为1Hz,幅度10mV,负载电阻300K,耦合电容大于等于0.5uF输出波形如下图所示,可见只要电容大于0.5uF,信号耦合之后就不会有幅度衰减。
那么是不是选择越大越好呢?请看实验3
3.输入信号频率为1Hz,幅度10mV,负载电阻300K,耦合电容为100uF幅度不出现衰减,但电路反应变得非常缓慢,输入信号后等待10多秒才有输出信号。
刚输入信号的前段时间,电路竟然不工作了,这是为什么呢?
主要是因为电容太大充电时间过长,至使输出信号出现延迟,特别是输入信号幅度很小的时个就要特别注意这个问题,否则电路会变得非常缓慢。
总结:
把耦合电容加到电路中之后,耦合电容与负载电阻构成了RC高通滤波器,所以我们可根据公式来计算出耦合电容的大小即:
f=1/2πRC
式中π=3.14
R为负载电阻(耦合下一级电路的输入电阻)须估算下一级的输入电阻,f为信号的频率,C就是我们要计算的耦合电容大小
如上面实验:负载电阻R=300K 频率为1Hz
由f=1/2πR C
可计算出C=0.5uf
所以C不能低于0.5uf ,可选1uf.主要是根据高通滤波器的下限频率来确定C的容量的。
所以选择耦合电容时要估算出下一级的输入电阻。
提示
1.耦合电容容量太小时,低频信号通过耦合电容时就会有严重的衰减,甚至不能通过。
以所制做电路时最好使用信号发生器在耦合电容输入端注入信号,用视波器来观察信号是否被严重衰减。
注意频率和幅度要与实际电路大致相同。
2.耦合电容容量太大时,电路出现延迟。
电路上电后要等待几十秒才有反应,特别是信号幅度很小的时候。
最佳选择:耦合电容容量应选择能保证输入信号经过耦合电容后不出现衰减的最小值容量值。