电容与阻抗
硬件设计 2021-04-30

一直有个疑惑:电容感抗是1/jwC,大电容C大,高频时w也大,阻抗应该很小,不是更适合滤除高频信号?然而事实却是:大电容滤除低频信号。


今天找到解答如下:一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压的作用。


0 1 滤波电容 


滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波频率,可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件,根据具体的需要选择。 至于个数就不一定了,看你的具体需要了,多加一两个也挺好的,暂时没用的可以先不贴,根据实际的调试情况再选择容值。


如果PCB上主要工作频率比较低的话,加两个电容就可以了,一个虑除纹波,一个虑除高频信号,如果会出现比较大的瞬时电流,建议再加一个比较大的钽电容。

去耦和旁路

其实滤波应该也包含两个方面,也就是各位所说的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。 原理就不说了,说点实用点的,一般数字电路去耦0.1uF即可,用于10M以下;20M以上用1到10个uF,去除高频噪声好些,大概按C=1/f 。 旁路一般就比较的小了,一般根据谐振频率一般为0.1或0.01uF。  

说到电容,各种各样的叫法就会让人头晕目眩,旁路电容、去耦电容、滤波电容等等。 其实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来: Xcap=1/2лfC 工作频率越高,电容值越大则电容的阻抗越小。


在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁路电容。 如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以称为去耦电容。 如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容。 除此以外,对于直流电压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。


而实际情况中,往往电容的作用是多方面的,我们大可不必花太多的心思考虑如何定义,本文里,我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容。


谐振频率

电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。 但由于引线和PCB布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路,还有电容本身的电阻,有时也不可忽略,这就引入了谐振频率的概念: ω=1/(LC)1/2 在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性,因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。 这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高,至于到底用多大的电容,这是一个参考。 


容谐振频率

不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说 —— 主要靠经验。 更可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。
一般来讲,大电容滤除低频波,小电容滤除高频波, 电容值和你要滤除频率的平方成反比。 具体电容的选择可以用公式: C=4Pi*Pi /(R * f * f ) 电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。 


0 2 滤波电容如何选取


理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数。


这表示频率大于FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?


原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频。


根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了。


那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,怎么知道电容的SFR是多少?就算知道SFR值,如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?


电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402、0603,或直插式电容的SFR值也不会相同。


当然获取SFR值的途径有两个:器件Data sheet,如22pf 0402电容的SFR值在2G左右;或者通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?


知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作频带是否有足够的噪声抑制比。 仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB。 说的通俗一点,把电容当作一个正在漏水的杯子,把交流电的峰值到来时看作给杯子加水,在漏水量相等的情况下,那么加水次数的频率高就多用小点的杯子,这样就能保准水位是高的。 相反,在加水次数低频下杯子小了,没等第二次来水时杯中的水位已经下降好多了,所以要用大的水杯来缓和因漏水造成的水位下降。 因为大电容由于容量大,所以体积一般也比较大,且通常使用多层卷绕的方式制作,这就导致了大电容的分布电感比较大,也叫等效串联电感,英文简称ESL。 


大电容并小电容的方式

大家知道,电感对高频信号的阻抗是很大的,所以,大电容的高频性能不好。 而一些小容量电容则刚刚相反,由于容量小,因此体积可以做得很小(缩短了引线,就减小了ESL,因为一段导线也可以看成是一个电感的)。 而且常使用平板电容的结构,这样小容量电容就有很小的ESL,这样它就具有了很好的高频性能,但由于容量小的缘故,对低频信号的阻抗大。 所以,如果我们为了让低频、高频信号都可以很好的通过,就采用一个大电容再并上一个小电容的方式。 常使用的小电容为0.1uF的瓷片电容,当频率更高时,还可并联更小的电容,例如几pF、几百pF的。


而在数字电路中,一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0.1uF的电容到地,这电容叫做去耦电容。 当然也可以理解为电源滤波电容,它越靠近芯片的位置越好,因为在这些地方的信号主要是高频信号,使用较小的电容滤波就可以了。


电容的串并联容量公式

串联公式:

C = C1*C2/(C1 + C2)

并联公式:

C = C1+C2+C3

补充部分:
  • 串联分压比 V1 = C2/(C1 + C2)*V ........电容越大分得电压越小,交流直流条件下均如此 。
  • 并联分流比 I1 = C1/(C1 + C2)*I ........电容越大通过的电流越大,当然,这是交流条件下一个大的电容上并联一个小电容。


0 3 总结 


理想的电容,其阻抗随频率升高而变小(R=1/jwc),但理想的电容是不存在的。 由于电容引脚的分布电感效应,在高频段电容不再是一个单纯的电容,更应该把它看成一个电容和电感的串联高频等效电路。 当频率高于其谐振频率时,阻抗表现出随频率升高而升高的特性,这就是电感特性,这时电容就好比一个电感了,相反电感也有同样的特性。 


大电容并联小电容在电源滤波中非常广泛的用到,根本原因就在于电容的自谐振特性。 大小电容搭配可以很好的抑制低频到高频的电源干扰信号,小电容滤高频(自谐振频率高),大电容滤低频(自谐振频率低),两者互为补充。

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