滤波电容、去耦电容、旁路电容的作用

liyang

滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。
去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。
旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。


1.关于去耦电容蓄能作用的理解


1）去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。
      而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。




     你可以把总电源看作密云水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，
     这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，
     等水过来，我们已经渴的不行了。
     实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。


     如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，
     而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，
     阻抗Z＝i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，
     会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。
     而去耦电容可以弥补此不足。
     这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一


   （在vcc引脚上通常并联一个去藕电容，这样交流分量就从这个电容接地。）


2）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


2.旁路电容和去耦电容的区别


     去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件     供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。
旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。


我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。


     在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把 输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。


滤波电容的选择




    经过整流桥以后的是脉动直流，波动范围很大。后面一般用大小两个电容，大电容用来稳定输出，众所周知电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑，小电容是用来滤除高频干扰的，使输出电压纯净，电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高
容量选择：
（1）大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大
（2）小电容，凭经验，一般104即可
1、电容对地滤波，需要一个较小的电容并联对地，对高频信号提供了一个对地通路。
2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
3、理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
4、可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段.


具体案例: AC220-9V再经过全桥整流后，需加的滤波电容是多大的？ 再经78LM05后需加的电容又是多大？
前者电容耐压应大于15V，电容容量应大于2000微发以上。 后者电容耐压应大于9V，容量应大于220微发以上。
2.有一电容滤波的单相桥式整流电路，输出电压为24V，电流为500mA，要求：
（1）选择整流二极管；
（2）选择滤波电容；
（3）另：电容滤波是降压还是增压？
（1）因为桥式是全波，所以每个二极管电流只要达到负载电流的一半就行了，所以二极管最大电流要大于250mA；电容滤波式桥式整流的输出电压等于输入交 流电压有效值的1.2倍，所以你的电路输入的交流电压有效值应是20V，而二极管承受的最大反压是这个电压的根号2倍，所以，二极管耐压应大于 28.2V。
（2）选取滤波电容：1、电压大于28.2V；2、求C的大小：公式RC≥（3--5）×0.1秒，本题中R=24V/0.5A=48欧
所以可得出C≥（0.00625--0.0104）F，即C的值应大于6250μF。
（3）电容滤波是升高电压。


滤波电容的选用原则


在电源设计中,滤波电容的选取原则是:      C≥2.5T/R
                                     其中: C为滤波电容,单位为UF;
                                                T为频率, 单位为Hz
                                                R为负载电阻,单位为Ω
   当然,这只是一般的选用原则,在实际的应用中,如条件(空间和成本)允许,都选取C≥5T/R.




3.滤波电容的大小的选取
                                        PCB制版电容选择
印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采
用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF
      一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还
可以起到稳压的作用。  滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可
能对系统造成影响的谐波频率，可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库
软件，根据具体的需要选择。至于个数就不一定了，看你的具体需要了，多加一两个也挺好
的，暂时没用的可以先不贴，根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率
比较低的话，加两个电容就可以了，一个虑除纹波，一个虑除高频信号。如果会出现比较大
的瞬时电流，建议再加一个比较大的钽电容。
      其实滤波应该也包含两个方面，也就是各位所说的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。
原理我就不说了，实用点的，一般数字电路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到
10个uF，去除高频噪声好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比较的小了，一般根据谐振频率
一般为0.1或0.01uF
      说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其
实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可
以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的
阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁
路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以
称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电
压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的
作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应
用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.
电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。
但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，
（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）
这就引入了谐振频率的概念：ω=1/(LC)1/2
在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。
因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
至于到底用多大的电容，这是一个参考
             电容谐振频率
电容值       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)
不过仅仅是参考而已，用老工程师的话说——主要靠经验。
更可靠的做法是将一大一小两个电容并联，
一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。
一般来讲，大电容滤除低频波，小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比
。
具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
电源滤波电容如何选取，掌握其精髓与方法，其实也不难。
1）理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应
,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于
FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打
折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?
原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常
常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也
可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要
尽可能靠近地了.
2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR值
,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?
电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402,0603,或直插式电
容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Data sheet,如22pf0402电容的
SFR值在2G左右, 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?S21?
知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作
频带是否有足够的噪声抑制比.仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,
LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.