硬件設(shè)計(jì) | 電容篇
[導(dǎo)讀]一直有個(gè)疑惑：電容感抗是1/jwC，大電容C大，高頻時(shí)w也大，阻抗應(yīng)該很小，不是更適合濾除高頻信號(hào)？然而事實(shí)卻是：大電容濾除低頻信號(hào)。今天找到解答如下：一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號(hào)，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩(wěn)壓的作用。01濾波電容濾波電...
一直有個(gè)疑惑：電容感抗是1/jwC，大電容C大，高頻時(shí)w也大，阻抗應(yīng)該很小，不是更適合濾除高頻信號(hào)？然而事實(shí)卻是：大電容濾除低頻信號(hào)。
今天找到解答如下：一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號(hào)，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩(wěn)壓的作用。
01濾波電容濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對(duì)系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個(gè)數(shù)就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個(gè)也挺好的，暫時(shí)沒用的可以先不貼，根據(jù)實(shí)際的調(diào)試情況再選擇容值。
如果PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個(gè)電容就可以了，一個(gè)慮除紋波，一個(gè)慮除高頻信號(hào)，如果會(huì)出現(xiàn)比較大的瞬時(shí)電流，建議再加一個(gè)比較大的鉭電容。
去耦和旁路
其實(shí)濾波應(yīng)該也包含兩個(gè)方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理就不說了，說點(diǎn)實(shí)用點(diǎn)的，一般數(shù)字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10個(gè)uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據(jù)諧振頻率一般為0.1或0.01uF。說到電容，各種各樣的叫法就會(huì)讓人頭暈?zāi)垦?，旁路電容、去耦電容、濾波電容等等。其實(shí)無論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗的特性，這一點(diǎn)可以通過電容的等效阻抗公式看出來：Xcap=1/2лfC工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小。
在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號(hào)提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容。如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號(hào)對(duì)電源的影響，就可以稱為去耦電容。如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容。除此以外，對(duì)于直流電壓，電容器還可作為電路儲(chǔ)能，利用沖放電起到電池的作用。
而實(shí)際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義，本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計(jì)中的電容都稱為旁路電容。諧振頻率
電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，還有電容本身的電阻，有時(shí)也不可忽略，這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/(LC)1/2在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性，因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高，至于到底用多大的電容，這是一個(gè)參考。電容諧振頻率
不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說 —— 主要靠經(jīng)驗(yàn)。更可靠的做法是將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián)，一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以獲得更大的濾波頻段。
一般來講，大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波，電容值和你要濾除頻率的平方成反比。具體電容的選擇可以用公式：C=4Pi*Pi /(R * f * f )電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實(shí)也不難。02濾波電容如何選取理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少（1/jwc），但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng)，這時(shí)電容應(yīng)該看成是一個(gè)LC串連諧振電路，自諧振頻率即器件的FSR參數(shù)。這表示頻率大于FSR值時(shí)，電容變成了一個(gè)電感，如果電容對(duì)地濾波，當(dāng)頻率超出FSR后，對(duì)干擾的抑制就大打折扣，所以需要一個(gè)較小的電容并聯(lián)對(duì)地，可以想想為什么?原因在于小電容，SFR值大，對(duì)高頻信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)地通路，所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解：大電容慮低頻，小電容慮高頻。根本的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，當(dāng)然也可以想想為什么？如果從這個(gè)角度想，也就可以理解為什么電源濾波中電容對(duì)地腳為什么要盡可能靠近地了。那么在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，我們常常會(huì)有疑問，怎么知道電容的SFR是多少？就算知道SFR值，如何選取不同SFR值的電容值呢？是選取一個(gè)電容還是兩個(gè)電容？電容的SFR值和電容值有關(guān)，和電容的引腳電感有關(guān)，所以相同容值的0402、0603，或直插式電容的SFR值也不會(huì)相同。當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個(gè)：器件Data sheet，如22pf 0402電容的SFR值在2G左右；或者通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測其自諧振頻率，想想如何量測？知道了電容的SFR值后，用軟件仿真，如RFsim99，選一個(gè)或兩個(gè)電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后，那就是實(shí)際電路試驗(yàn)，如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時(shí)，LNA的電源濾波是關(guān)鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個(gè)dB。說的通俗一點(diǎn)，把電容當(dāng)作一個(gè)正在漏水的杯子，把交流電的峰值到來時(shí)看作給杯子加水，在漏水量相等的情況下，那么加水次數(shù)的頻率高就多用小點(diǎn)的杯子，這樣就能保準(zhǔn)水位是高的。相反，在加水次數(shù)低頻下杯子小了，沒等第二次來水時(shí)杯中的水位已經(jīng)下降好多了，所以要用大的水杯來緩和因漏水造成的水位下降。因?yàn)榇箅娙萦捎谌萘看?，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式制作，這就導(dǎo)致了大電容的分布電感比較大，也叫等效串聯(lián)電感，英文簡稱ESL。大電容并小電容的方式
大家知道，電感對(duì)高頻信號(hào)的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很小（縮短了引線，就減小了ESL，因?yàn)橐欢螌?dǎo)線也可以看成是一個(gè)電感的）。而且常使用平板電容的結(jié)構(gòu)，這樣小容量電容就有很小的ESL，這樣它就具有了很好的高頻性能，但由于容量小的緣故，對(duì)低頻信號(hào)的阻抗大。所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、高頻信號(hào)都可以很好的通過，就采用一個(gè)大電容再并上一個(gè)小電容的方式。常使用的小電容為0.1uF的瓷片電容，當(dāng)頻率更高時(shí)，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pF、幾百pF的。
而在數(shù)字電路中，一般要給每個(gè)芯片的電源引腳上并聯(lián)一個(gè)0.1uF的電容到地，這電容叫做去耦電容。當(dāng)然也可以理解為電源濾波電容，它越靠近芯片的位置越好，因?yàn)樵谶@些地方的信號(hào)主要是高頻信號(hào)，使用較小的電容濾波就可以了。
電容的串并聯(lián)容量公式
串聯(lián)公式：C = C1*C2/(C1 C2)并聯(lián)公式：C = C1 C2 C3補(bǔ)充部分：
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今天找到解答如下：一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號(hào)，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩(wěn)壓的作用。
01濾波電容濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對(duì)系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個(gè)數(shù)就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個(gè)也挺好的，暫時(shí)沒用的可以先不貼，根據(jù)實(shí)際的調(diào)試情況再選擇容值。
如果PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個(gè)電容就可以了，一個(gè)慮除紋波，一個(gè)慮除高頻信號(hào)，如果會(huì)出現(xiàn)比較大的瞬時(shí)電流，建議再加一個(gè)比較大的鉭電容。
去耦和旁路
其實(shí)濾波應(yīng)該也包含兩個(gè)方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理就不說了，說點(diǎn)實(shí)用點(diǎn)的，一般數(shù)字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10個(gè)uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據(jù)諧振頻率一般為0.1或0.01uF。說到電容，各種各樣的叫法就會(huì)讓人頭暈?zāi)垦?，旁路電容、去耦電容、濾波電容等等。其實(shí)無論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗的特性，這一點(diǎn)可以通過電容的等效阻抗公式看出來：Xcap=1/2лfC工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小。
在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號(hào)提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容。如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號(hào)對(duì)電源的影響，就可以稱為去耦電容。如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容。除此以外，對(duì)于直流電壓，電容器還可作為電路儲(chǔ)能，利用沖放電起到電池的作用。
而實(shí)際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義，本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計(jì)中的電容都稱為旁路電容。諧振頻率
電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，還有電容本身的電阻，有時(shí)也不可忽略，這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/(LC)1/2在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性，因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高，至于到底用多大的電容，這是一個(gè)參考。電容諧振頻率
不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說 —— 主要靠經(jīng)驗(yàn)。更可靠的做法是將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián)，一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以獲得更大的濾波頻段。
一般來講，大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波，電容值和你要濾除頻率的平方成反比。具體電容的選擇可以用公式：C=4Pi*Pi /(R * f * f )電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實(shí)也不難。02濾波電容如何選取理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少（1/jwc），但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng)，這時(shí)電容應(yīng)該看成是一個(gè)LC串連諧振電路，自諧振頻率即器件的FSR參數(shù)。這表示頻率大于FSR值時(shí)，電容變成了一個(gè)電感，如果電容對(duì)地濾波，當(dāng)頻率超出FSR后，對(duì)干擾的抑制就大打折扣，所以需要一個(gè)較小的電容并聯(lián)對(duì)地，可以想想為什么?原因在于小電容，SFR值大，對(duì)高頻信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)地通路，所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解：大電容慮低頻，小電容慮高頻。根本的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，當(dāng)然也可以想想為什么？如果從這個(gè)角度想，也就可以理解為什么電源濾波中電容對(duì)地腳為什么要盡可能靠近地了。那么在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，我們常常會(huì)有疑問，怎么知道電容的SFR是多少？就算知道SFR值，如何選取不同SFR值的電容值呢？是選取一個(gè)電容還是兩個(gè)電容？電容的SFR值和電容值有關(guān)，和電容的引腳電感有關(guān)，所以相同容值的0402、0603，或直插式電容的SFR值也不會(huì)相同。當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個(gè)：器件Data sheet，如22pf 0402電容的SFR值在2G左右；或者通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測其自諧振頻率，想想如何量測？知道了電容的SFR值后，用軟件仿真，如RFsim99，選一個(gè)或兩個(gè)電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后，那就是實(shí)際電路試驗(yàn)，如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時(shí)，LNA的電源濾波是關(guān)鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個(gè)dB。說的通俗一點(diǎn)，把電容當(dāng)作一個(gè)正在漏水的杯子，把交流電的峰值到來時(shí)看作給杯子加水，在漏水量相等的情況下，那么加水次數(shù)的頻率高就多用小點(diǎn)的杯子，這樣就能保準(zhǔn)水位是高的。相反，在加水次數(shù)低頻下杯子小了，沒等第二次來水時(shí)杯中的水位已經(jīng)下降好多了，所以要用大的水杯來緩和因漏水造成的水位下降。因?yàn)榇箅娙萦捎谌萘看?，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式制作，這就導(dǎo)致了大電容的分布電感比較大，也叫等效串聯(lián)電感，英文簡稱ESL。大電容并小電容的方式
大家知道，電感對(duì)高頻信號(hào)的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很小（縮短了引線，就減小了ESL，因?yàn)橐欢螌?dǎo)線也可以看成是一個(gè)電感的）。而且常使用平板電容的結(jié)構(gòu)，這樣小容量電容就有很小的ESL，這樣它就具有了很好的高頻性能，但由于容量小的緣故，對(duì)低頻信號(hào)的阻抗大。所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、高頻信號(hào)都可以很好的通過，就采用一個(gè)大電容再并上一個(gè)小電容的方式。常使用的小電容為0.1uF的瓷片電容，當(dāng)頻率更高時(shí)，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pF、幾百pF的。
而在數(shù)字電路中，一般要給每個(gè)芯片的電源引腳上并聯(lián)一個(gè)0.1uF的電容到地，這電容叫做去耦電容。當(dāng)然也可以理解為電源濾波電容，它越靠近芯片的位置越好，因?yàn)樵谶@些地方的信號(hào)主要是高頻信號(hào)，使用較小的電容濾波就可以了。
電容的串并聯(lián)容量公式
串聯(lián)公式：C = C1*C2/(C1 C2)并聯(lián)公式：C = C1 C2 C3補(bǔ)充部分：
- 串聯(lián)分壓比 V1 = C2/(C1 C2)*V ........電容越大分得電壓越小，交流直流條件下均如此 。
- 并聯(lián)分流比 I1 = C1/(C1 C2)*I ........電容越大通過的電流越大，當(dāng)然，這是交流條件下一個(gè)大的電容上并聯(lián)一個(gè)小電容。
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