電路設(shè)計之電容的應(yīng)用分析

背景：為統(tǒng)籌電路設(shè)計較全面的知識點，本人將在近期推出電路設(shè)計中各種常用器件與設(shè)計理念，如基本元器件電阻、電容、電感、二極管保護，存儲器件SDRAM、FLASH，PCB設(shè)計工藝DCDC電源、PCB板布線設(shè)計工藝等，希望能為大家提供些許參考。

注：主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。以下介紹基于電容常用功能，詳細介紹各功能應(yīng)用。

電容特性：通交流阻直流，通高頻阻低頻！

電容在大家平時的電路設(shè)計中是不可缺少的，但是很多的人都會進入一個電容使用的誤區(qū)，就是電容的容值越大越好，濾波效果越好。其實并不是這樣的，簡單的說，就是大容值電容濾低頻噪聲，小容值電容濾高頻噪聲。

電容的工作的實質(zhì)是充電和放電的過程。以電容不存儲任何電量為初始狀態(tài)，大容值的電容在電路中達到與電路中的電壓平衡需要充入的電荷量就要多，就需要更長的時間，低頻噪聲能夠滿足其時間上的要求，但如果放在高頻率噪聲的電路中，頻率高，大容值電容的充放電反應(yīng)不過來，達不到濾波的目的，這時候就要采用小容值的電容。小容值的電容，充放電時間短，能夠滿足濾波的目的。總之，濾波的頻率隨電容值的增大而減少。所以在使用時要根據(jù)自己的電路的需要選取合適的容值，達到想要的濾波目的，又減少了成本。

在電路中最常見到的電容使用方法是“去耦電容”和“旁路電容”。作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：?

1、應(yīng)用于電源電路，實現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲能方面電容的作用，下面分類詳述之：?

①?濾波?

濾波是電容的作用中很重要的一部分。幾乎所有的電源電路中都會用到。從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1uF?的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過。

以上圖為例：C5將濾除前一級U2輸出中的低頻成分、C7濾除其高頻成分，C3、C4類似。

曾有網(wǎng)友將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。?電容把電壓的變動轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。注：濾波就是充電，放電的過程。?

②?旁路?

旁路電容一般接在信號端與地之間，主要功能是產(chǎn)生一個交流分路，從而消去進入易感區(qū)的那些不需要的能量。

旁路電容一般作為高頻旁路器件來減小對電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電容和鉭電容比較適合作旁路電容，其電容值取決于PCB?板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10?至470μF?范圍內(nèi)。若PCB?板上有許多集成電路、高速開關(guān)電路和具有長引線的電源，則應(yīng)選擇大容量的電容。旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路被充電，并向器件進行放電。

注：為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致地電位抬高和噪聲。?

③?去藕?

去耦電容實際上是根據(jù)電容的使用的實際效果來命名的，一般接在電源線和地線之間，起作用主要有兩方面：濾波作用和蓄能作用。

具體的作用結(jié)合以下幾點來解釋：

1、當(dāng)電源引進電路時，電源的電壓不是恒定的，是處在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，其中帶有很多的噪聲，如果讓這些噪聲進入到電路中就會對電路造成影響，特別是對電壓敏感的器件對電路電壓的穩(wěn)定性要求更高，以及有用到作為參考電壓的一端，影響其精確性，所以加電容能能保證電路的線性關(guān)系。（簡單的理解就是電壓多了我就吸收，少了我就補充，保持在一個平衡的狀態(tài)）

2、有源器件在開關(guān)時產(chǎn)生高頻的開關(guān)噪聲，將會沿著電源線傳播，這時電容提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關(guān)噪聲在電源線的傳播，并將噪聲接引到地。

3、在空間中存在很多的電磁波，往往會干擾到芯片工作的穩(wěn)定性，芯片周圍的去耦電容能夠很好的濾除這些干擾，從另一方面說，高頻電路中，導(dǎo)線產(chǎn)生的電感效應(yīng)對電流的阻礙作用是很大的，會導(dǎo)致電流不足，如果器件在這時候剛好就需要足夠的電流驅(qū)動，就不能及時供給，這時，去耦電容中儲存的能量就能及時的補充這些不足，保證器件正常的工作。

注：在電路電路中，去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用，電容所處的位置不同，就是稱呼的不一樣，旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源，這是他們的本質(zhì)區(qū)別。

④?儲能?

儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150?000uF之間的鋁電解電容器(如EPCOS公司的?B43504或B43505)是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式，?對于功率級超過10KW的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。?

2、應(yīng)用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用：?

①?耦合?

舉個例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合，這個電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個電容，由于適當(dāng)容量的電容器對交流信號較小的阻抗,這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。?

②?振蕩/同步?

包括RC、LC振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。?

③?時間常數(shù)?

這就是常見的?R、C?串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時，電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述：?

i?=?(V/R)e-(t/CR)?