【桃子同学笔记2】电容滤波和电感滤波

1、 为什么理论上小电容滤高频信号，大电容滤低频信号？

 

这里先打一个通俗易懂的比方：所谓电容，顾名思义就是一个电子容纳器件，不妨设想其为一个水槽。水槽越小就越容易被流动的水(电子流)填满，填满之后就一直保持当前水位了，所以对小的波动很灵敏。而大电容因为容量大，同样的如果水压一样的情况下，要填很久，所以一些小的波澜并不会产生什么影响，所以需要长时间的注水

再说上面的问题，该结论在满足一定条件时（相同电阻情况下）是成立的，正如我们所知，比较大的电容一般都为电解电容（铝电解&钽电解），电容本身的容值会随着频率的变化而逐步发生变化。一般电容的标称容值为100Hz条件下测量得到，它的容值随着频率增加而不断下降，当频率高到一定值后，信号也就不会得到滤除了；对于小电容而言，当有低频信号通过时，容抗特别大，就会呈现基本断路的现象。

当然万事不是绝对，也有大电容具备比较好的高频特性，AVX就有该特性。

在挑选电容的时候，除了电容容量需要注意，ESR也是一个相当重要的参数，因为该参数决定了该电容的正常工作频谱范围。当然如果必须使用大电容（大功率场景）进行高频率波，那就将多个电容进行并联从而实现高频情况下容值降低的补偿。

2、 旁路电容和去耦电容的区别

 

一般而言在一个电路中，总是存在驱动源和被驱动负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻(特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹)，这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作---这就是耦合。去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

 

旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。

 

去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电池，避免由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大，对更高频率的噪声，基本无效。旁路电容就是针对高频来的，也就是利用了电容的频率阻抗特性。电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率，会发生谐振，此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图，就会发现一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还要考虑电容的介质，一个比较保险的方法就是多并几个电容。

 

一般提到去耦的人，也会问到旁路，他们两个的区别是什么，可以说清楚，但是却没有严格的区分。

　

什么是旁路？旁路(Bypass)，是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。电源中高频干扰是典型的无用成分，需要将其在进入目标芯片之前提前干掉，一般我们采用电容到达该目的。用于该目的的电容就是所谓的旁路电容(Bypass Capacitor)，它利用了电容的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低，这个地球人都知道)，可以看出旁路电容主要针对高频干扰(高是相对的，一般认为20MHz以上为高频干扰，20MHz以下为低频纹波)。

 

什么是退耦？退耦(Decouple)， 最早用于多级电路中，为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的而采取的措施。在电源中退耦表示，当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时，需 要瞬时从电源在线抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源在线电压的降低，从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰，需要在芯片附近设置一个 储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。

 

在电源电路中，旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰(自我保护)；退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰(家丑不外扬)。有人说退耦是针对低频、旁路是针对高频，我认为这样说是不准确的，高速芯片内部开关操作可能高达上GHz，由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围，为此目的的退耦电容同样需要有很好的高频特性。所以我们在一般的讨论中并不刻意区分退耦和旁路，认为都是为了滤除噪声，而不管该噪声的来源。

3、 磁珠、电感和电容在滤波上的区别？

 

想要讨论这三个分立器件的滤波适用范围，就要找明白各器件的结构与原理。

首先磁珠是能耗器件(磁珠不是电感)，而其他两个都是储能器件，这是磁珠与电感本质上的不同！磁珠的作用是消耗掉能消耗的多余能量(纹波)。磁珠标识单休是欧姆，如220Ω@100MHz。常见大多数磁珠都是在100MHz下标注的。选磁珠要看其特性曲线，一般是要虑掉低频信号上的几十到百MHz的高频噪音。

电容是最常用的分立器件，电容的作用一共三种，分别是 旁路，退耦，AC耦合。所谓的滤波大多数时候指的是旁路。旁路电容一般根据所要旁路的信号的频率来选取，也是要看电容的频响曲线的。高频信号的处理要比较小心，慎用(会影响信号完整性，又是另一个方面，有人感兴趣再写)。常见的电源通路上的电容的作用大多是退耦，退耦的一般理解为防止上级和下级的耦合(真实定义要问度娘…)，最终目的就是减少电源上的纹波(这又是电源完整性，又另一个方面…)。这时选取电容值要根据上级电源类型个下级mos频率来决定，一般电源输出会看见跟着两个电容，一大一小。大电容的作用就是一般是做储能退偶，小的是滤掉电源MOS的开关噪音。后级器件的电源输入一般的电容是用来虑掉mos开关瞬时纹波。

电感！在弱电领域！不要用来滤波！上面说了，磁珠是能耗器件，纹波会自身消耗掉，电容虽然储能，但是有对地的泄放通路。如果串电感滤波，你让噪声的能量去哪里？回源级？影响信号源质量；去下级？还是噪声。所以，电感在信号处理上只用来调匹配。在电源上，只用来做DC-DC的储能电感.这样，基本就明白了，一些常见的低频信号和电源上，都可以用磁珠和电容滤波.而磁珠的成本高，所以一般要针对特定的高频噪声时才用。例如就要滤掉百MHz左右的噪声，对于一些对电源质量要求较高的情况，也可以用磁珠率高频噪声(不用电容是因为电容可能会出现不能胜任的情况，因为越高频的电容，容量越小).电容多用于电源退耦.常见的22uF 10uF一般是DC-DC的整流，1uF 0.1uF是虑开关噪声。

参考文献：

[1] https://www.zhihu.com/question/267913883/answer/330919702

[2] https://www.zhihu.com/question/265968133/answer/316129241

[3] https://www.zhihu.com/question/51699121/answer/127100254

[4] https://www.zhihu.com/question/269100807/answer/345868568

[5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/44713635