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大電 容濾低頻？小電容濾高頻？

日期：2024-10-19 08:09
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摘要： 一直有個疑惑：電容感抗是1/jwC，大電容C大，高頻時w也大，阻抗應(yīng)該很小，不是更適合濾除高頻信號？然而事實卻是：大電容濾除低頻信號。今天找到解答如下：一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩(wěn)壓的作用。 01 濾波電容 濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個數(shù)就不一定了，...

一直有個疑惑：電容感抗是1/jwC，大電容C大，高頻時w也大，阻抗應(yīng)該很小，不是更適合濾除高頻信號？然而事實卻是：大電容濾除低頻信號。今天找到解答如下：一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩(wěn)壓的作用。



01

濾波電容


         濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個數(shù)就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個也挺好的，暫時沒用的可以先不貼，根據(jù)實際的調(diào)試情況再選擇容值。

        如果你PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個電容就可以了，一個慮除紋波，一個慮除高頻信號。如果會出現(xiàn)比較大的瞬時電流，建議再加一個比較大的鉭電容。



去耦和旁路


       其實濾波應(yīng)該也包含兩個方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理就不說了，實用點的，一般數(shù)字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10個uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據(jù)諧振頻率一般為0.1或0.01uF。




        說到電容，各種各樣的叫法就會讓人頭暈?zāi)垦?，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(xiàn)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；如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容；除此以外，對于直流電壓，電容器還可作為電路儲能，利用沖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。本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計中的電容都稱為旁路電容。



諧振頻率


       電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，（還有電容本身的電阻，有時也不可忽略）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。這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。至于到底用多大的電容，這是一個參考。




電容諧振頻率

        不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說 —— 主要靠經(jīng)驗。更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯(lián)，一般要求相差兩個數(shù)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。



02

濾波電容如何選取


  • 理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少（1/jwc），但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng)，這時電容應(yīng)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(shù)，這表示頻率大于FSR值時，電容變成了一個電感，如果電容對地濾波，當(dāng)頻率超出FSR后，對干擾的抑制就大打折扣，所以需要一個較小的電容并聯(lián)對地，可以想想為什么?

    原因在于小電容，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，根本的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，當(dāng)然也可以想想為什么？如果從這個角度想，也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了。


  • 那么在實際的設(shè)計中，我們常常會有疑問，怎么知道電容的SFR是多少？就算知道SFR值，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(guān)，和電容的引腳電感有關(guān)，所以相同容值的0402，0603，或直插式電容的SFR值也不會相同，當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個：器件Data sheet，如22pf 0402電容的SFR值在2G左右；或者通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測其自諧振頻率，想想如何量測？


          知道了電容的SFR值后，用軟件仿真，如RFsim99，選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后，那就是實際電路試驗，如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時，LNA的電源濾波是關(guān)鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個dB。

         說的通俗一點，把電容當(dāng)作一個正在漏水的杯子，把交流電的峰值到來時看作給杯子加水，在漏水量相等的情況下，那么加水次數(shù)的頻率高就多用小點的杯子，這樣就能保準(zhǔn)水位是高的。相反，在加水次數(shù)低頻下杯子小了，沒等第   二次來水時杯中的水位已經(jīng)下降好多了，所以要用大的水杯來緩和因漏水造成的水位下降。

           因為大電容由于容量大，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式制作（動手拆過鋁電解電容應(yīng)該會很有體會，沒拆過的也可以拿幾種不同的電容拆來看看），這就導(dǎo)致了大電容的分布電感比較大（也叫等效串聯(lián)電感，英文簡稱ESL）。

大電容并小電容的方式


           大家知道，電感對高頻信號的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很小（縮短了引線，就減小了ESL，因為一段導(dǎo)線也可以看成是一個電感的），而且常使用平板電容的結(jié)構(gòu)，這樣小容量電容就有很小的ESL，這樣它就具有了很好的高頻性能，但由于容量小的緣故，對低頻信號的阻抗大。

           所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、高頻信號都可以很好的通過，就采用一個大電容再并上一個小電容的方式。常使用的小電容為0.1uF的瓷片電容，當(dāng)頻率更高時，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pF、幾百pF的。

          而在數(shù)字電路中，一般要給每個芯片的電源引腳上并聯(lián)一個0.1uF的電容到地（這電容叫做去耦電容，當(dāng)然也可以理解為電源濾波電容。它越靠近芯片的位置越好），因為在這些地方的信號主要是高頻信號，使用較小的電容濾波就可以了。



電容的串并聯(lián)容量公式


  • 串聯(lián)公式：C = C1*C2/(C1 + C2)

  • 并聯(lián)公式：C = C1+C2+C3


補充部分：

  • 串聯(lián)分壓比 V1 = C2/(C1 + C2)*V ........電容越大分得電壓越小，交流直流條件下均如此 。

  • 并聯(lián)分流比 I1 = C1/(C1 + C2)*I ........電容越大通過的電流越大，當(dāng)然，這是交流條件下一個大的電容上并聯(lián)一個小電容。



03

總結(jié)


        理想的電容，其阻抗隨頻率升高而變小（R＝1/jwc），但理想的電容是不存在的，由于電容引腳的分布電感效應(yīng)，在高頻段電容不再是一個單純的電容，更應(yīng)該把它看成一個電容和電感的串聯(lián)高頻等效電路，當(dāng)頻率高于其諧振頻率時，阻抗表現(xiàn)出隨頻率升高而升高的特性，就是電感特性，這時電容就好比一個電感了。相反電感也有同樣的特性。

         大電容并聯(lián)小電容在電源濾波中非常廣泛的用到，根本原因就在于電容的自諧振特性。大小電容搭配可以很好的抑制低頻到高頻的電源干擾信號，小電容濾高頻（自諧振頻率高），大電容濾低頻（自諧振頻率低），兩者互為補充。

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