关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用

1、1 滤波电容，去耦电容，旁路电容2 电容特性3 电容滤波电路关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用（转）2007-07-28 11:10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

2、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Zi*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

3、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：从组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

4、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。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。数字电路中典型的去耦电容值是0.1F。这个电容的分布电感的典型值是5H。0.1F的去耦电容有5H的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起

5、作用。1F、10F的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10F左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C="1"/F，即10MHz取0.1F，100MHz取0.01F。电容器选用及使用注意事项：1，一般在低频耦合或旁路，电气特性要求较低时，可选用纸介、涤纶电容器；在高频高压电路中，应选用云母电容器或瓷介电容器；在电源滤波和退耦电路中，可选用电解电容器。2，在振荡电路、延时电路、音调电路

6、中，电容器容量应尽可能与计算值一致。在各种滤波及网（选频网络），电容器容量要求精确；在退耦电路、低频耦合电路中，对同两级精度的要求不太严格。 3，电容器额定电压应高于实际工作电压，并要有足够的余地，一般选用耐压值为实际工作电压两倍以上的电容器。4，优先选用绝缘电阻高，损耗小的电容器，还要注意使用环境。电容特性：在消费类电子产品系统中，体积越来越小，器件摆放越来越密，模拟、数字部分已很难通过布局有效分开，系统设计工程师往往在电源网络中使用很多电容，衰减高频数字噪声，期望能“净化”电源，减少对模拟电路的干扰。在电压调整器中，在输入、输出端通常都各有一只电容，跨接在输入、输出管脚和地(GND)之间。

7、输入电容的主要作用是滤除交流噪声，抑制输入端的电压变化。而输出电容的作用，除了构成反馈环路的一部分之外(增加一个额外的零点，当然不可避免的也要带来一个极点，提高环路的相位裕量)，还可以抑制由于负载电流或者输入电压瞬变引起的输出电压变化。从某种角度来说，滤除交流噪声与抑制电压突变在本质上是一回事，那就是去除交流信号。电容的特性不同介质种类的电容，其自身特性相差甚远。在描述电容的特性之前，我们需要了解以下几个参数：电阻符号R，是指通过导体的直流电压与电流之比，单位为欧姆。电抗符号X，是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗(XL)和容抗(XC)，单位为欧姆。阻抗符号Z，是一个复合参数，实部

8、为电阻，虚部为电抗，单位为欧姆，所以阻抗也可以表示为：Z = R + jX。 电导符号G，是指通过导体的直流电流与电压之比，电阻的倒数，单位为西门子。电纳符号B，是导纳的虚数部分，包括容纳(BC)和感纳(BL)，单位为西门子。 导纳符号Y，是阻抗Z的倒数，也是一个复合参数，实部为电导，虚部为电纳，单位为西门子，也可以表示为：Y = G + jB导纳Y通常表示的是器件并联的情况，而阻抗Z表示的则是器件串联的情况，见图1。其中，W=2f电容: Z=R+jX=R+1/jwc=R+1/j2fc=R-j1/2fc电感: Z=R+jX=R+jwL=R+j2fL图1：阻抗与导纳的表示方法。所以对于串联的器件

9、组合，如果>0，则说明器件两端有感性，越接近90，感性越强，当=90时，为纯感性器件。同样< 0，则说明器件有容性，越接近-90，容性越强，当=-90时，为纯容性器件。常见的几种类型的电容特点如表1所示，表1：不同种类电容的优缺点。现实中并没有纯电阻，也没有纯电容或电感，都是这几种理想器件的组合。实际的电解电容的等效电路可以表示如图2所示。其中：Ra介质吸收引起的电阻，Ca介质吸收引起的电容，RLE漏电引起的电阻，RL引线引起的电阻，LL引线引起的电感。实际的多层陶瓷电容的等效电路则可以如3表示，对于用作滤波作用的电容，当然不希望有ESL，即使在高频也保持良好的容性，即等于或接近-

10、90度。图2：电解电容的等效电路。电容的并联效果既然实际的电容特性与理想电容有一定的差距，那么接在输入、输出端的滤波电容到底产生了什么样的作用呢？有的应用手册上给出，使用两颗电容并联到GND，一颗容值较大的电解电容，另一颗是容值较小的陶瓷电容，比如C1=10uF，C2=0.1uF，为了研究并联的交流特性，加入一只电阻R0，等效成如下电路，交流特性的影响是由两只电容引起的，如图4所示。图3：多层陶瓷电容的等效电路。图4：两只电容并联的交流等效电路。其中R0为信号源内阻，R1为电容C1的等效串联电阻，R2为电容C2的等效串联电阻。传输函数可以表示成下式，从上式不难看出，系统包括两个极点，两个零点。

11、，当满足条件C1>>C2，R1>>R2时，极点可以表达成下式，以上面50V/10uF电解电容，和16V/1uF陶瓷电容的数据作为依据，对上述器件进行如下赋值，ESR取f=100kHz的值。R0 = 1，C1 = 8.21uF，C2 = 0.997uF，R1 = 774m，R2 = 190m，图3网络的频率特性如图4所示，从上图看出，在紧接着第一个极点P1之后，出现了第一个零点Z1，它是由R1、C1形成的，如果没有电容C2，AC曲线将保持水平，不再有衰减。正是由于C2的存在，使得增益在通过第二个极点P2之后继续衰减，直至第二个零点Z2。因此要使两只电容并联的增益衰减更多，

12、可以将Z2外移，也就是使电容C2以及R2远小于C1、R1。这是假定电容C、ESR在所有频率下都是定值的条件下，用MATHCAD计算出的理想曲线。实际上，根据上表中的数据告诉我们，C、ESR会随着频率而变化，而且在高频时会出现ESL，考虑到这些因素，得到的曲线如图5所示。图6是使用网络分析仪(Agilent 4395A)得到的实际频响曲线。图5：两只电容并联的幅度相位频率特性。图6：根据实测数据计算出的频率特性。在频率小于100kHz时，图5与图6几乎没有差别，大约在f>700kHz，由于ESL的作用，增益上翘。当满足条件R1×C1 = R2×C2时，根据上式系统可以简

13、化成一个极点，一个零点。现实中满足这种条件的有两种情况，两只电容C1、C2完全相同，意味着类型、容值、ESR和频率特性等一样。图7：网络分析测到的频率特性。容值与ESR成反比，对于同一类型的电容，实际上也基本满足这个规律。此时其零、极点变为零点->极点->实际上此时可以等效成1个电容，它的容值为两个电容的并联Ce = C1/C2，ESR为两个ESR并联Re = R1/R2。 三只电容并联的情况如图8所示，传输函数可以表示成图8：三只电容并联的交流等效电路。从上式不难看出，系统包括三个极点，三个零点。假定上述器件给出值如下，R0 = 1、C1 = 10uF、C2 = 1uF、C3=0

14、.1uF、R1 = 2、R2 = 100m、R3=50m，网络的频率特性如图9，衰减是第一个极点P1开始，到最后一个零点Z3结束。P1是由C1、R0+R1引起的，Z3是由C3、R3引起的。同样类似的情况，当满足R1×C1 = R2×C2 = R3×C3时，仍可以等效成一只电容，其容值为三个电容的并联Ce = C1/C2/C3，ESR为三个电阻并联Re = R1/R2/R3。对于线性电压调整器，用户只关心输出端的交流噪声。这个噪声只有两个来源，一个是来自输入端，一个则是来自调整器本身。幸运的是，来自BCD新一代线性电压调整器能够很好地解决这两个问题。芯片本身出色的P

15、SRR性能，可以很好的抑制来自输入端的交流噪声，尤其是在低频部分；而自身的输出噪声很低，几乎可以忽略。比如AP2121，PSRR为70dB，从DC可以持续到1kHz、10Hz 100kHz之间的噪声电压只有30uVrms。因此在使用AP2121时，根本不需要再额外使用多个电容并联，尤其是大的电解电容，就可以得到干净的电压源。图9：三只电容并联计算出的频率响应。本文结论为了实现更好的噪声衰减，当使用多只电容并联时，应选择ESR与C各不相同的电容，这样可以使衰减曲线从第一个极点开始，一直到最后一个零点结束，容值最大的那只电容决定了衰减的起始频率，容值最小的那只电容决定了衰减的终止频率，并且务必减小

16、引线长度，防止出现ESL。当使用AP2121高PSRR、低噪声线性电压调整器时，只需要使用一颗片式陶瓷电容，推荐值1uF。ESR值就是等效串联电阻阻值。ESL值等效串联电感值。这两个值是描述电容的两重要参数阻抗、感抗。也是形成容抗的基础。ESR值越低越好，电容又不是电阻，干吗要阻抗（不想要但一定会存在）。作者：王玉系统工程师BCD半导体制造有限公司电容滤波电路2007年10月11日 星期四 17:02滤波电路整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。一般直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示：脉动

17、系数（S）GS0712例如，全波整流输出电压uL可用付氏级数展开为：GS0713其中基波最大值为0.6U2，直流分量（平均值）为0.9 U2，故脉动系数S0.67 。同理可求得半波整流输出电压的脉动系数为S1.57，可见其脉动系数是比较大的。一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。这一措施就是滤波。最基本的滤波组件是电感、电容。其滤波原理是：利用这些电抗组件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑

18、；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的，体现出滤波作用。 常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波的主要形式有电容滤波，电感滤波和复式滤波（包括倒L型LC滤波，型LC滤波和型RC滤波等）。有源滤波的主要形式是有源RC滤波。 电容滤波半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下电容C并联于负载 RL的两端，uLuC。在没有并入电容C之前，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止，输出电压uL的波形如图中红线所示。并入电容之后，设在 t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管D

19、导通，除有一电流iL流向负载以外还有一电流iC向电容C充电，充电电压uC的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻，则uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压uc也将由于放电而逐渐下降。当u2uc时，D因反偏而截止，于是C以一定的时间常数通过RL 按指数规律放电，uc下降。直到下一个正半周，当u2 uc时，D又导通。如此下去，使输出电压的波形如图中蓝线所示。显然比未并电容C前平滑多了。全波或桥式整流电容滤波的原理与半波整波电容滤波基本相同，滤波波形如图Z0711 所示。从以上分析可以看出：1. 加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用