分析：电路中的旁路电容的原理及其应用技巧

电容器的这两个功能(或功能)都在旁路电容器中使用。

想象一下,您已经设计了一个不错的运算放大器电路,并开始对其进行原型设计,但失望地发现该电路无法按预期工作或根本无法工作。造成这种情况的主要原因可能是来自电源或内部 IC 电路的噪声,甚至来自相邻 IC 的噪声可能已耦合到电路中。

来自电源的噪声(规则的尖峰脉冲)是不希望的,必须不惜一切代价消除。旁路电容器是防止电源上有害噪声的第一道防线。

什么是旁路电容器?

通常在集成电路的 VCC 和 GND 引脚之间施加一个旁路电容器。旁路电容器消除了电源电压尖峰的影响,并降低了电源噪声。

使用“旁路电容器”这个名称是因为它旁路了电源的高频分量。它也被称为去耦电容器,因为它可以将电路的一部分与另一部分解耦(通常,来自电源或其他 IC 的噪声被分流,并且在电路的另一部分上的影响减小了)。

旁路电容器通常应用于电路的两个位置:一个位于电源上,另一个位于每个有源设备(模拟或数字 IC)上。

位于电源附近的旁路电容器通过存储电荷并在必要时释放电荷(通常在出现尖峰时)来消除电源中的电压降。

来到 IC 的 VCC 和 GND 引脚附近放置的旁路电容器将能够满足开关电路(数字 IC)的瞬时电流需求,因为寄生电阻和电感会延迟瞬时电流的传递。

旁路电容器如何消除电源噪声?

要了解旁路电容器如何消除噪声,您需要首先了解电容器在直流和交流下的工作方式。当电容器跨接在直流电源上时(例如示例中的电池),在电介质上会产生电场,导体之一上带有正电荷,而另一导体上带有负电荷。

电容器充电时,瞬态电流从电源中流出。但是,当电容器上的电荷达到最大值(由 Q = CV 确定)时,电容器导电板之间的电场会使电源的电场无效,并且不再有电荷流过电容器。

因此,在直流电路中,电容器充电至电源电压并阻止任何电流流过该电容器。

当电容器跨时变交流电源连接时,由于充电和放电循环,电流流过的电阻很小或没有电阻。

请记住,将旁路电容器跨接在电源上时,它为从电源到地的噪声(本质上是交流信号)提供了一条低电阻路径。因此,旁路电容器利用交流信号将电源旁路。

由于 DC 被电容器阻止,它将通过电路而不是通过电容器接地,这就是旁路电容使用的原因,该电容器也称为去耦电容器。

旁路电容器注意事项

没有旁路电容或旁路不当的电路会产生严重的电源干扰,并可能导致电路故障。因此,电路中必须使用适当的旁路电容。

以下是选择旁路电容器时必须考虑的一些注意事项。

● 电容器种类

● 电容器放置

● 电容器尺寸

● 输出负载效应

● 电容器种类

在高频电路中,旁路电容器的引线电感是重要的因素。在> 100MHz 之类的高频下切换时,电源轨上会产生高频噪声,并且电源中的这些谐波与高引线电感一起将导致电容器充当开路。

电容器在需要时提供必要的电流,以维持稳定的电源。因此,当从设备(集成电路)的内部噪声中选择用于旁路电源的电容器时,必须选择低引线电感的电容器。

MLCC 或多层陶瓷贴片电容器是旁路电源的首选。

电容器放置

旁路电容器的放置非常简单。通常,旁路电容应尽可能靠近设备的电源引脚放置。如果距离增加,PCB 上的多余粘性会转化为串联电感器和串联电阻器,从而降低电容器的有用带宽。

因此,电源引脚和旁路电容器之间较长的 PCB 走线会增加电感,并且会破坏首先引入旁路电容器的目的。

电容器尺寸

确定电容器的尺寸时,要考虑两件事。

从低到高切换引脚时所需的电流量

最大脉冲摆率可计算电容器的最大电流

输出负载效应

如果输出负载是纯电阻性的,则频率不会影响输出的上升和下降时间。但是,如果输出负载是电容性的,则频率的增加将导致更高的瞬态电流和电源振荡。

旁路电容在电路设计中的应用

在哪里使用旁路电容器?

下图显示了分压器偏置放大器的电路图。电阻 R1,R2,RC 和 RE 有助于晶体管以 Q 点偏置在负载线的中间。电阻 RE 为 Q 点增加了稳定性。

输入和输出端分别有两个耦合电容器 C1 和 C2。C1 将交流信号源耦合到晶体管的基极,而 C2 将放大信号耦合到负载。

但是讨论的设备是旁路电容 CE。由于交流信号的放大,发射极电流很大。如果没有旁路电容,则大的交流发射极电流流经发射极电阻 RE,RE 两端的交流压降很大。

当 RE 两端的电压降减去 Vin 时,这将导致较小的交流基极电流。因此,输出电压降低,电压增益急剧降低。

我们需要提供一个低阻抗路径,以使交流发射极电流从发射极流到地,以防止电压增益损失。这可以通过在发射极和地之间连接一个电容器来实现,该电容器可以用作旁路电容器,以旁路交流发射极电流。

几乎所有的模拟和数字设备都使用旁路电容器。在这两种器件中,旁路电容器(通常为 0．1?F 的电容器)都非常靠近电源引脚放置。电源也使用旁路电容器,它们通常是较大的 10?F 电容器。

旁路电容器的值取决于器件,在电源情况下,其值在 10?F 至 100?F 之间;在 IC 情况下,其值通常为 0．1?F,或由工作频率决定。

如果设备的带宽约为 1MHz,则使用 1pF 旁路电容。如果带宽约为 10MHz 或更高,则使用 0．1?F 电容器。

在某些应用中,并联的旁路电容器网络用于过滤宽范围的频率。

电路中的每个有源器件都必须在电源引脚附近放置一个旁路电容器。如果有多个旁路电容器,则必须将较小容量的电容器放置在靠近设备的地方。

在模拟电路中,旁路电容器通常会将电源上的高频分量定向到地面。否则,这些信号将通过电源引脚进入敏感的模拟 IC。如果在模拟电路中未使用旁路电容器,则很有可能会将噪声引入信号路径。

在带有微处理器和控制器的数字电路中,旁路电容器的使用略有不同。数字电路中旁路电容器的主要功能是充当电荷储存器。

在逻辑门以高频开关的数字电路中,在开关期间需要大电流。寄生电阻和电感将不允许开关过程中突然需要大电流。

因此,旁路放置在尽可能靠近电源引脚的位置,以减小寄生电感,它将在电源接通之前提供瞬时电流。

旁路电容器的应用

旁路电容器的主要目的是在通过所需的 DC 的同时分流电源的不良高频分量。以下是旁路电容器的三个主要应用领域。

补偿当前需求

需要时,使用旁路电容器提供必要的电流。例如,从放大器到扬声器的驱动电流根据信号而变化,并且放大器输出的电流需求取决于信号的强度。

输出端的这种变化的电流导致从电源汲取的变化的电流。功率的这些变化会引起波动,该波动可能会通过电源作为噪声耦合到信号线。

旁路电容器可以用作临时电流源,有助于减少波动。

电源滤波器

在电源中,通常使用 100?F 或 1000?F 或更大的大型旁路电容器来过滤整流正弦波的纹波。

数字系统

在数字电路中,所有 IC 的 VCC 和 GND 引脚之间都使用一个旁路电容器。这有助于在 IC 的一定范围内保持稳定的电源,并消除高频信号进入电源。此外,它们还充当快速开关电路中的瞬时电流提供者。

审核编辑 黄昊宇