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用隔直电容时候需要注意什么呢?

冬至子 来源:硬件工程师笔记 作者:纪烈臣 2023-11-01 11:20 次阅读

在一些应用里会用到隔直电容,以把直流部分滤除掉,只通过交流。最常见的目的,可能就是滤除环境中无处不在的50Hz(或60Hz)工频干扰,比如示波器的交流耦合

还有一些应用里,比如测脉冲信号光电放大电路,平时可能会有一个直流电平,所以脉冲信号到来时,它是叠加在直流电平之上。如果我们希望得到一个幅值比较大的脉冲信号,需要两级放大,那么中间就会用到隔直电容,用于把直流电平滤除,只放大有用的脉冲信号。这是因为放大电路输出范围是有限的,以及ADC输入范围有限。

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图1 隔直电容的用途之一,滤除掉直流偏置只放大有用的交流信号,因为电源范围是有限的

那么用隔直电容时候需要注意什么呢 ?我想到了两点:第一,放大脉冲信号时候需要注意,隔直电容可能会带来的负脉冲即波形下冲问题。第二,信号链的电容尽量选型NPO、COG,这样失真较小。

仿真电路如图2所示。输入为脉冲信号,仿真看看它会出现啥问题。输入脉冲波形见图3,仿真结果参见图4,可以看到一个负脉冲,它是怎么回事呢? 理解这个负脉冲的关键,就是要知道电容的特性,即电容的电压不能突变 。电容存储的能量公式为E=1/2CV^2,能量是不能突变的,所以电容电压不能够突变。就像环境温度是不能突变的一样,四季更迭总要有一个过度嘛。

根据KVL可以得到,V1=Vc1+Vout。脉冲信号升高到3V时候,Vout为正电压,是没有问题的,此时电容两端是有压降的,Vc1=V1-Vout。脉冲信号降低到0V后会发生什么呢?由于前面介绍过的电容特性,它两端电压无法突变,Vc1不为零,所以这时候Vout就变成负的了。就像万用表测量电池两极电压,如果红色表笔贴在负极,黑色表笔贴在正极,测量得到的电池电压就是负的了。

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图2 隔直电容用于脉冲信号放大应用的简略图示(戴维南等效后基本就是这个样子了),一般后面会接一个放大器

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图3 输入的脉冲信号波形

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图4 图2的仿真结果,可以看到一个负脉冲,它是怎么回事呢?

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图5 输入输出全部显示

解决这个负脉冲,即所谓的波形下冲的办法有两个,第一是增加电容容值,第二是增加电阻阻值。关键都是要减小Vc1 ,参见图2。从电路方程中可以定性知道原因,V1=Vc1+Vout,那么,Vc1=V1-Vout=V1-IR1=V1-C*dv/dt*R1——从公式中可以得到,当C或者R越大的时候,Vc1是越小的。也就是负脉冲值越小了。

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图6 参见图2,只是将R1从10K改为10M,负脉冲变得很小了

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图7 参见图2,只是将C1从10p改为100n,负脉冲同样变得很小了

解决这个负脉冲,那么到底怎么改更好呢,是一味增加容值,还是一味增加阻值呢?我觉得从失真角度考虑的话,最好满足下冲需求情况下,是可以增加阻值到可以有NPO/COG型号电容可选的情况下,当然电阻引入的热噪声又可以接受。

因为电阻很小的话,电容就需要很大才行了。图7为X7R电容特性,它的容值定义为在0V偏置电压的电容量,当施加在电容两端电容变大后,它的容值会变小。图8更直观,电容容值跟随两端正弦波电压变化趋势,正弦波幅值越高,电容容值越小。而NPO/COG电容容值是很稳定的。

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图8 X7R电容的特性

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图9 电容两端施加正弦波,可以看到电容容值是在变化的

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图10 三星COG电容容值随着电压变化是很稳定的

不过为了选型COG/NPO电容,为了满足负脉冲幅值更小的需求,可能需要把电阻设置的非常大才行,因为COG/NPO电容容值都相对较小。而像10M电阻的热噪声是非常高的,达到了4uV/sqrt(Hz)——这是非常高的了,一般低噪声运放的电压噪声只有4nV/sqrt(Hz),一万倍!所以如果选不到,只用普通的X7R电容也是可以的。看到一个TI资料,建议将截止频率点设置高一些,失真会非常小,参见图9。

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图11 低失真的高通RC设置要点

最后总结一下,本文主要是整理了隔直电容用于测脉冲应用时候,会出现的负脉冲现象的原因和解决办法。都是比较定性的去理解,我觉得这就够了,配合仿真软件是可以满足需求的。从失真角度考虑,隔直电容选型一类陶瓷电容理论上当然会更好,但一般这种类型电容可能容值不够,参考TI的资料,选普通的陶瓷电容也不会遇到啥问题,只要截止频率低于实际应用频率的20倍就跟没有隔直电容的效果是一样的。不过ADC前端驱动电路中的电容最好选一类陶瓷电容。失真部分是我在纸上谈兵,实际没测过失真,只是在资料里看到过。

彻底解决负脉冲即所谓的下冲问题,只是简单的用电容是不行的,有一些文献里介绍了相对复杂的电路。而这在一些应用里是必须的。

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