分析旁路電容器的三個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域

我們知道電容器是一種能夠以電場(chǎng)形式存儲(chǔ)能量并以預(yù)定的時(shí)間和速率釋放能量的電氣設(shè)備。此外，電容器會(huì)阻止直流電通過交流電。

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(shè)計(jì)了一個(gè)不錯(cuò)的運(yùn)算放大器電路，并開始對(duì)其進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，但失望地發(fā)現(xiàn)該電路無(wú)法按預(yù)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自電源或內(nèi)部IC電路的噪聲，甚至來自相鄰IC的噪聲可能已耦合到電路中。

來自電源的噪聲（規(guī)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。

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)名稱是因?yàn)樗月妨穗娫吹母哳l分量。它也被稱為去耦電容器，因?yàn)樗梢詫㈦娐返囊徊糠峙c另一部分解耦（通常，來自電源或其他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(yīng)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(shè)備（模擬或數(shù)字IC）上。

位于電源附近的旁路電容器通過存儲(chǔ)電荷并在必要時(shí)釋放電荷（通常在出現(xiàn)尖峰時(shí)）來消除電源中的電壓降。

來到IC的VCC和GND引腳附近放置的旁路電容器將能夠滿足開關(guān)電路（數(shù)字IC）的瞬時(shí)電流需求，因?yàn)榧纳?a target="_blank">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(dāng)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(dǎo)體之一上帶有正電荷，而另一導(dǎo)體上帶有負(fù)電荷。

電容器充電時(shí)，瞬態(tài)電流從電源中流出。但是，當(dāng)電容器上的電荷達(dá)到最大值（由Q = CV確定）時(shí)，電容器導(dǎo)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該電容器。

當(dāng)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)，電流流過的電阻很小或沒有電阻。

請(qǐng)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(hào)）提供了一條低電阻路徑。因此，旁路電容器利用交流信號(hào)將電源旁路。

由于DC被電容器阻止，它將通過電路而不是通過電容器接地，這就是旁路電容使用的原因，該電容器也稱為去耦電容器。

旁路電容器注意事項(xiàng)

沒有旁路電容或旁路不當(dāng)?shù)碾娐窌?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電源干擾，并可能導(dǎo)致電路故障。因此，電路中必須使用適當(dāng)?shù)呐月冯娙荨?/p>

以下是選擇旁路電容器時(shí)必須考慮的一些注意事項(xiàng)。

電容器種類

電容器放置

電容器尺寸

輸出負(fù)載效應(yīng)

電容器種類

在高頻電路中，旁路電容器的引線電感是重要的因素。在>100MHz之類的高頻下切換時(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電感一起將導(dǎo)致電容器充當(dāng)開路。

電容器在需要時(shí)提供必要的電流，以維持穩(wěn)定的電源。因此，當(dāng)從設(shè)備（集成電路）的內(nèi)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(yīng)盡可能靠近設(shè)備的電源引腳放置。如果距離增加，PCB上的多余粘性會(huì)轉(zhuǎn)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(zhǎng)的PCB走線會(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(jì)算電容器的最大電流

輸出負(fù)載效應(yīng)

如果輸出負(fù)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(fù)載是電容性的，則頻率的增加將導(dǎo)致更高的瞬態(tài)電流和電源振蕩。

旁路電容在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(fù)載線的中間。電阻RE為Q點(diǎn)增加了穩(wěn)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(hào)源耦合到晶體管的基極，而C2將放大信號(hào)耦合到負(fù)載。

但是討論的設(shè)備是旁路電容CE。由于交流信號(hào)的放大，發(fā)射極電流很大。如果沒有旁路電容，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(dāng)RE兩端的電壓降減去Vin時(shí)，這將導(dǎo)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。這可以通過在發(fā)射極和地之間連接一個(gè)電容器來實(shí)現(xiàn)，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(shù)字設(shè)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(shè)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(yīng)用中，并聯(lián)的旁路電容器網(wǎng)絡(luò)用于過濾寬范圍的頻率。

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(shè)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(hào)將通過電源引腳進(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(hào)路徑。

在帶有微處理器和控制器的數(shù)字電路中，旁路電容器的使用略有不同。數(shù)字電路中旁路電容器的主要功能是充當(dāng)電荷儲(chǔ)存器。

在邏輯門以高頻開關(guān)的數(shù)字電路中，在開關(guān)期間需要大電流。寄生電阻和電感將不允許開關(guān)過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(yīng)用

旁路電容器的主要目的是在通過所需的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(yīng)用領(lǐng)域。

補(bǔ)償當(dāng)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(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電流根據(jù)信號(hào)而變化，并且放大器輸出的電流需求取決于信號(hào)的強(qiáng)度。

輸出端的這種變化的電流導(dǎo)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)通過電源作為噪聲耦合到信號(hào)線。

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過濾整流正弦波的紋波。

數(shù)字系統(tǒng)

在數(shù)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(nèi)保持穩(wěn)定的電源，并消除高頻信號(hào)進(jìn)入電源。此外，它們還充當(dāng)快速開關(guān)電路中的瞬時(shí)電流提供者。
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