用隔直電容時候需要注意什么呢？

在一些應(yīng)用里會用到隔直電容，以把直流部分濾除掉，只通過交流。最常見的目的，可能就是濾除環(huán)境中無處不在的50Hz（或60Hz）工頻干擾，比如示波器的交流耦合。

還有一些應(yīng)用里，比如測脈沖信號的光電放大電路，平時可能會有一個直流電平，所以脈沖信號到來時，它是疊加在直流電平之上。如果我們希望得到一個幅值比較大的脈沖信號，需要兩級放大，那么中間就會用到隔直電容，用于把直流電平濾除，只放大有用的脈沖信號。這是因為放大電路輸出范圍是有限的，以及ADC輸入范圍有限。

圖1 隔直電容的用途之一，濾除掉直流偏置只放大有用的交流信號，因為電源范圍是有限的

那么用隔直電容時候需要注意什么呢 ？我想到了兩點：第一，放大脈沖信號時候需要注意，隔直電容可能會帶來的負脈沖即波形下沖問題。第二，信號鏈的電容盡量選型NPO、COG，這樣失真較小。

仿真電路如圖2所示。輸入為脈沖信號，仿真看看它會出現(xiàn)啥問題。輸入脈沖波形見圖3，仿真結(jié)果參見圖4，可以看到一個負脈沖，它是怎么回事呢？ 理解這個負脈沖的關(guān)鍵，就是要知道電容的特性，即電容的電壓不能突變 。電容存儲的能量公式為E=1/2CV^2，能量是不能突變的，所以電容電壓不能夠突變。就像環(huán)境溫度是不能突變的一樣，四季更迭總要有一個過度嘛。

根據(jù)KVL可以得到，V1=Vc1+Vout。脈沖信號升高到3V時候，Vout為正電壓，是沒有問題的，此時電容兩端是有壓降的，Vc1=V1-Vout。脈沖信號降低到0V后會發(fā)生什么呢？由于前面介紹過的電容特性，它兩端電壓無法突變，Vc1不為零，所以這時候Vout就變成負的了。就像萬用表測量電池兩極電壓，如果紅色表筆貼在負極，黑色表筆貼在正極，測量得到的電池電壓就是負的了。

圖2 隔直電容用于脈沖信號放大應(yīng)用的簡略圖示（戴維南等效后基本就是這個樣子了），一般后面會接一個放大器

圖3 輸入的脈沖信號波形

圖4 圖2的仿真結(jié)果，可以看到一個負脈沖，它是怎么回事呢？

圖5 輸入輸出全部顯示

解決這個負脈沖，即所謂的波形下沖的辦法有兩個，第一是增加電容容值，第二是增加電阻阻值。關(guān)鍵都是要減小Vc1 ，參見圖2。從電路方程中可以定性知道原因，V1=Vc1+Vout，那么，Vc1=V1-Vout=V1-IR1=V1-C*dv/dt*R1——從公式中可以得到，當C或者R越大的時候，Vc1是越小的。也就是負脈沖值越小了。

圖6 參見圖2，只是將R1從10K改為10M，負脈沖變得很小了

圖7 參見圖2，只是將C1從10p改為100n，負脈沖同樣變得很小了

解決這個負脈沖，那么到底怎么改更好呢，是一味增加容值，還是一味增加阻值呢？我覺得從失真角度考慮的話，最好滿足下沖需求情況下，是可以增加阻值到可以有NPO/COG型號電容可選的情況下，當然電阻引入的熱噪聲又可以接受。

因為電阻很小的話，電容就需要很大才行了。圖7為X7R電容特性，它的容值定義為在0V偏置電壓的電容量，當施加在電容兩端電容變大后，它的容值會變小。圖8更直觀，電容容值跟隨兩端正弦波電壓變化趨勢，正弦波幅值越高，電容容值越小。而NPO/COG電容容值是很穩(wěn)定的。

圖8 X7R電容的特性

圖9 電容兩端施加正弦波，可以看到電容容值是在變化的

圖10 三星COG電容容值隨著電壓變化是很穩(wěn)定的

不過為了選型COG/NPO電容，為了滿足負脈沖幅值更小的需求，可能需要把電阻設(shè)置的非常大才行，因為COG/NPO電容容值都相對較小。而像10M電阻的熱噪聲是非常高的，達到了4uV/sqrt(Hz)——這是非常高的了，一般低噪聲運放的電壓噪聲只有4nV/sqrt(Hz)，一萬倍！所以如果選不到，只用普通的X7R電容也是可以的?？吹揭粋€TI的資料，建議將截止頻率點設(shè)置高一些，失真會非常小，參見圖9。

圖11 低失真的高通RC設(shè)置要點

最后總結(jié)一下，本文主要是整理了隔直電容用于測脈沖應(yīng)用時候，會出現(xiàn)的負脈沖現(xiàn)象的原因和解決辦法。都是比較定性的去理解，我覺得這就夠了，配合仿真軟件是可以滿足需求的。從失真角度考慮，隔直電容選型一類陶瓷電容理論上當然會更好，但一般這種類型電容可能容值不夠，參考TI的資料，選普通的陶瓷電容也不會遇到啥問題，只要截止頻率低于實際應(yīng)用頻率的20倍就跟沒有隔直電容的效果是一樣的。不過ADC前端驅(qū)動電路中的電容最好選一類陶瓷電容。失真部分是我在紙上談兵，實際沒測過失真，只是在資料里看到過。

徹底解決負脈沖即所謂的下沖問題，只是簡單的用電容是不行的，有一些文獻里介紹了相對復(fù)雜的電路。而這在一些應(yīng)用里是必須的。