電容器的這兩個(gè)功能(或功能)都在旁路電容器中使用。
想象一下,您已經(jīng)設計了一個(gè)不錯的運算放大器電路,并開(kāi)始對其進(jìn)行原型設計,但失望地發(fā)現該電路無(wú)法按預期工作或根本無(wú)法工作。造成這種情況的主要原因可能是來(lái)自電源或內部IC電路的噪聲,甚至來(lái)自相鄰IC的噪聲可能已耦合到電路中。
來(lái)自電源的噪聲(規則的尖峰脈沖)是不希望的,必須不惜一切代價(jià)消除。旁路電容器是防止電源上有害噪聲的第一道防線(xiàn)。
什么是旁路電容器?
通常在集成電路的VCC和GND引腳之間施加一個(gè)旁路電容器。旁路電容器消除了電源電壓尖峰的影響,并降低了電源噪聲。
使用“旁路電容器”這個(gè)名稱(chēng)是因為它旁路了電源的高頻分量。它也被稱(chēng)為去耦電容器,因為它可以將電路的一部分與另一部分解耦(通常,來(lái)自電源或其他IC的噪聲被分流,并且在電路的另一部分上的影響減小了)。
旁路電容器通常應用于電路的兩個(gè)位置:一個(gè)位于電源上,另一個(gè)位于每個(gè)有源設備(模擬或數字IC)上。
位于電源附近的旁路電容器通過(guò)存儲電荷并在必要時(shí)釋放電荷(通常在出現尖峰時(shí))來(lái)消除電源中的電壓降。
來(lái)到IC的VCC和GND引腳附近放置的旁路電容器將能夠滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電路(數字IC)的瞬時(shí)電流需求,因為寄生電阻和電感會(huì )延遲瞬時(shí)電流的傳遞。
旁路電容器如何消除電源噪聲?
要了解旁路電容器如何消除噪聲,您需要首先了解電容器在直流和交流下的工作方式。當電容器跨接在直流電源上時(shí)(例如示例中的電池),在電介質(zhì)上會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng),導體之一上帶有正電荷,而另一導體上帶有負電荷。
電容器充電時(shí),瞬態(tài)電流從電源中流出。但是,當電容器上的電荷達到最大值(由Q = CV確定)時(shí),電容器導電板之間的電場(chǎng)會(huì )使電源的電場(chǎng)無(wú)效,并且不再有電荷流過(guò)電容器。
因此,在直流電路中,電容器充電至電源電壓并阻止任何電流流過(guò)該電容器。
當電容器跨時(shí)變交流電源連接時(shí),由于充電和放電循環(huán),電流流過(guò)的電阻很小或沒(méi)有電阻。
請記住,將旁路電容器跨接在電源上時(shí),它為從電源到地的噪聲(本質(zhì)上是交流信號)提供了一條低電阻路徑。因此,旁路電容器利用交流信號將電源旁路。
由于DC被電容器阻止,它將通過(guò)電路而不是通過(guò)電容器接地,這就是旁路電容使用的原因,該電容器也稱(chēng)為去耦電容器。
旁路電容器注意事項
沒(méi)有旁路電容或旁路不當的電路會(huì )產(chǎn)生嚴重的電源干擾,并可能導致電路故障。因此,電路中必須使用適當的旁路電容。
以下是選擇旁路電容器時(shí)必須考慮的一些注意事項。
● 電容器種類(lèi)
● 電容器放置
● 電容器尺寸
● 輸出負載效應
● 電容器種類(lèi)
在高頻電路中,旁路電容器的引線(xiàn)電感是重要的因素。在> 100MHz之類(lèi)的高頻下切換時(shí),電源軌上會(huì )產(chǎn)生高頻噪聲,并且電源中的這些諧波與高引線(xiàn)電感一起將導致電容器充當開(kāi)路。
電容器在需要時(shí)提供必要的電流,以維持穩定的電源。因此,當從設備(集成電路)的內部噪聲中選擇用于旁路電源的電容器時(shí),必須選擇低引線(xiàn)電感的電容器。
MLCC或多層陶瓷貼片電容器是旁路電源的首選。
電容器放置
旁路電容器的放置非常簡(jiǎn)單。通常,旁路電容應盡可能靠近設備的電源引腳放置。如果距離增加,PCB上的多余粘性會(huì )轉化為串聯(lián)電感器和串聯(lián)電阻器,從而降低電容器的有用帶寬。
因此,電源引腳和旁路電容器之間較長(cháng)的PCB走線(xiàn)會(huì )增加電感,并且會(huì )破壞首先引入旁路電容器的目的。
電容器尺寸
確定電容器的尺寸時(shí),要考慮兩件事。
從低到高切換引腳時(shí)所需的電流量
最大脈沖擺率可計算電容器的最大電流
輸出負載效應
如果輸出負載是純電阻性的,則頻率不會(huì )影響輸出的上升和下降時(shí)間。但是,如果輸出負載是電容性的,則頻率的增加將導致更高的瞬態(tài)電流和電源振蕩。
旁路電容在電路設計中的應用
在哪里使用旁路電容器?
下圖顯示了分壓器偏置放大器的電路圖。電阻R1,R2,RC和RE有助于晶體管以Q點(diǎn)偏置在負載線(xiàn)的中間。電阻RE為Q點(diǎn)增加了穩定性。
輸入和輸出端分別有兩個(gè)耦合電容器C1和C2。C1將交流信號源耦合到晶體管的基極,而C2將放大信號耦合到負載。
但是討論的設備是旁路電容CE。由于交流信號的放大,發(fā)射極電流很大。如果沒(méi)有旁路電容,則大的交流發(fā)射極電流流經(jīng)發(fā)射極電阻RE,RE兩端的交流壓降很大。
當RE兩端的電壓降減去Vin時(shí),這將導致較小的交流基極電流。因此,輸出電壓降低,電壓增益急劇降低。
我們需要提供一個(gè)低阻抗路徑,以使交流發(fā)射極電流從發(fā)射極流到地,以防止電壓增益損失。這可以通過(guò)在發(fā)射極和地之間連接一個(gè)電容器來(lái)實(shí)現,該電容器可以用作旁路電容器,以旁路交流發(fā)射極電流。
幾乎所有的模擬和數字設備都使用旁路電容器。在這兩種器件中,旁路電容器(通常為0．1μF的電容器)都非�？拷娫匆_放置。電源也使用旁路電容器,它們通常是較大的10μF電容器。
旁路電容器的值取決于器件,在電源情況下,其值在10μF至100μF之間;在IC情況下,其值通常為0．1μF,或由工作頻率決定。
如果設備的帶寬約為1MHz,則使用1pF旁路電容。如果帶寬約為10MHz或更高,則使用0．1μF電容器。
在某些應用中,并聯(lián)的旁路電容器網(wǎng)絡(luò )用于過(guò)濾寬范圍的頻率。
電路中的每個(gè)有源器件都必須在電源引腳附近放置一個(gè)旁路電容器。如果有多個(gè)旁路電容器,則必須將較小容量的電容器放置在靠近設備的地方。
在模擬電路中,旁路電容器通常會(huì )將電源上的高頻分量定向到地面。否則,這些信號將通過(guò)電源引腳進(jìn)入敏感的模擬IC。如果在模擬電路中未使用旁路電容器,則很有可能會(huì )將噪聲引入信號路徑。
在帶有微處理器和控制器的數字電路中,旁路電容器的使用略有不同。數字電路中旁路電容器的主要功能是充當電荷儲存器。
在邏輯門(mén)以高頻開(kāi)關(guān)的數字電路中,在開(kāi)關(guān)期間需要大電流。寄生電阻和電感將不允許開(kāi)關(guān)過(guò)程中突然需要大電流。
因此,旁路放置在盡可能靠近電源引腳的位置,以減小寄生電感,它將在電源接通之前提供瞬時(shí)電流。
旁路電容器的應用
旁路電容器的主要目的是在通過(guò)所需的DC的同時(shí)分流電源的不良高頻分量。以下是旁路電容器的三個(gè)主要應用領(lǐng)域。
補償當前需求
需要時(shí),使用旁路電容器提供必要的電流。例如,從放大器到揚聲器的驅動(dòng)電流根據信號而變化,并且放大器輸出的電流需求取決于信號的強度。
輸出端的這種變化的電流導致從電源汲取的變化的電流。功率的這些變化會(huì )引起波動(dòng),該波動(dòng)可能會(huì )通過(guò)電源作為噪聲耦合到信號線(xiàn)。
旁路電容器可以用作臨時(shí)電流源,有助于減少波動(dòng)。
電源濾波器
在電源中,通常使用100μF或1000μF或更大的大型旁路電容器來(lái)過(guò)濾整流正弦波的紋波。
數字系統
在數字電路中,所有IC的VCC和GND引腳之間都使用一個(gè)旁路電容器。這有助于在IC的一定范圍內保持穩定的電源,并消除高頻信號進(jìn)入電源。此外,它們還充當快速開(kāi)關(guān)電路中的瞬時(shí)電流提供者。 |
