電容雖小,不能忽視其重要地位

2020-07-09 13:44:30 admin 315

說到電容,各種各樣的叫法就會讓人頭暈目眩,旁路電容,去耦電容,濾波電容等等,其實無論如何稱呼,它的原理都是一樣的,即利用對交流信號呈現低阻抗的特性,這一點可以通過電容的等效阻抗公式看出來:Xcap=1/2лfC,工作頻率越高,電容值越大則電容的阻抗越小。

在電路中,如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路,就稱為旁路電容;如果主要是為了增加電源和地的交流耦合,減少交流信號對電源的影響,就可以稱為去耦電容;如果用於濾波電路中,那麼又可以稱為濾波電容;除此以外,對於直流電壓,電容器還可作為電路儲能,利用充放電起到電池的作用。而實際情況中,往往電容的作用是多方面的,我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文裏,我們統一把這些應用於高速PCB設計中的電容都稱為旁路電容。

電容的本質是通交流,隔直流,理論上說電源濾波用電容越大越好。

但由於引線和PCB佈線原因,實際上電容是電感和電容的並聯電路,這就引入了諧振頻率的概念:ω=1/(LC)1/2
在諧振頻率以下電容呈容性,諧振頻率以上電容呈感性。
因而一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。
這也能解釋為什麼同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。


至於到底用多大的電容,這是一個參考。

電容諧振頻率
電容值 DIP (MHz) STM (MHz)
1.0μF 2.5 5
0.1μF 8 16
0.01μF 25 50
1000pF 80 160
100 pF 250 500
10 pF 800 1.6(GHz)
不過僅僅是參考而已,用老工程師的話說——主要靠經驗。


更可靠的做法是將一大一小兩個電容並聯,
一般要求相差兩個數量級以上,以獲得更大的濾波頻段。
一般來講,大電容濾除低頻波,小電容濾除高頻波。電容值和你要濾除頻率的平方成反比。

具體電容的選擇可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
電源濾波電容如何選取,掌握其精髓與方法,其實也不難。
1)理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少(1/jwc),但由於電容兩端引腳的電感效應,這時電容應該看成是一個LC串連諧振電路,自諧振頻率即器件的FSR參數,這表示頻率大於FSR值時,電容變成了一個電感,如果電容對地濾波,當頻率超出FSR後,對干擾的抑制就大打折扣,所以需要一個較小的電容並聯對地。

原因在於小電容,SFR值大,對高頻信號提供了一個對地通路,所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解:大電容慮低頻,小電容慮高頻,根本的原因在於SFR(自諧振頻率)值不同。

2)那麼在實際的設計中,我們常常會有疑問,我怎麼知道電容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何選取不同SFR值的電容值呢?是選取一個電容還是兩個電容?電容的SFR值和電容值有關,和電容的引腳電感有關,所以相同容值的0402,0603,或直插式電容的SFR值也不會相同,當然獲取SFR值的途徑有兩個,1)器件Data sheet,如22pf0402電容的SFR值在2G左右, 2)通過網路分析儀直接量測其自諧振頻率,想想如何量測?S21?

知道了電容的SFR值後,用軟體仿真,如RFsim99,選一個或兩個電路在於你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的雜訊抑制比.仿真完後,那就是實際電路試驗,如調試手機接收靈敏度時,LNA的電源濾波是關鍵,好的電源濾波往往可以改善幾個dB.

濾波電容的選取與計算
網上有兩種工程常用的計算方法:
一,當要求不是很精確的話,可以根據負載計算,每mA,2uf.
二,按RC時間常數近似等於3~5倍電源半週期估算。給出一例:

負載情況:直流1A,12V。其等效負載電阻12歐姆。
橋式整流:
RC = 3 (T/2)
C = 3 (T/2) / R = 3 x (0.02 / 2 ) / 12 = 2500 (μF)
工程中可取2200 μF,因為沒有2500 μF這一規格。若希望紋波小些,按5倍取。這裏,T是電源的週期,50HZ時,T = 0.02 秒。

全波整流結果一樣,但半波整流時,時間常數加倍。

根據全波整流波形,可以看出,輸出電壓的平滑與電容充放電時間和信號的頻率有關系,當信號的頻率增大時,輸出電壓的波動就分變大,可以改變濾波電容的大小來改變充放電時間,使波動減小.這也反應了上述濾波電容的計算關係.理論上濾波電容越大濾波效果越好,輸出電壓就越平滑,但在電路接通的瞬間,電路中所產生的衝擊電流因素卻不能被忽略,這是因為,幾乎所有的電子元器件都有其可以通過的最大電流值,所以,在選擇電子元器件時,必須考慮衝擊電流所帶來的流過相關元器件瞬間電流的最大值,衝擊電流越大,對電子元器件的要求就越高,電路的成本就會提高。