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      電容模型本質 旁路電容 去耦電容 電容取值范圍

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2022-06-08

      摘要:搞電子的不知道小伙伴有沒有被問到過,芯片附近放置的電容是多少?當你回答說是0.1uF,當你心里暗自慶幸還好自己知道的時候,面試官突然又問道為什么選取0.1uF?想必此時不少小伙伴都會想到,我看別人都是這么畫的,官方推薦也是這么干的,如果你是這么回答,那面試官是不會滿意的。

      怎么回答才算是牛X呢?電路設計的每一個器件可以說是都不是沒有根據的隨便選型,只是可能到你手里之后,已經經過多方驗證,是成型的原理圖,參數不需要修改,所以關注的也少;貧w正題,接下來分析分析,上面提到的,為什么是0.1uF電容,而不是1uF、10uF......

      一、電容模型本質

      先來看看電容,電容的作用簡單的說就是存儲電荷。我們都知道在電源中要加電容濾波,在每個芯片的電源腳放置一個0.1uF的電容去耦。等等,怎么我看到有些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的,有什么講究嗎。要搞懂這個道道就要了解電容的實際特性。理想的電容它只是一個電荷的存儲器,即C。而實際制造出來的電容卻不是那么簡單,分析電源完整性的時候我們常用的電容模型如下圖所示。

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      圖中ESR是電容的串聯等效電阻,ESL是電容的串聯等效電感,C才是真正的理想電容。ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的,沒法消除。那這兩個東西對電路有什么影響。ESR影響電源的紋波,ESL影響電容的濾波頻率特性。

      電容的容抗

      電感的感抗

      實際電容的復阻抗為

      可見當頻率很低的時候是電容起作用, 而頻率高到一定的時候電感的作用就不可忽視了,再高的時候電感就起主導作用了。電容就失去濾波的作用了。所以記住,高頻的時候電容就不是單純的電容了。

       

      電容阻抗-頻率曲線圖

      二、旁路和去耦

      旁路電容(Bypass Capacitor)和去耦電容(Decoupling Capacitor)這兩個概念在電路中是常見的,但是真正理解起來并不容易。要理解這兩個詞匯,還得回到英文語境中去。

      1、Bypass

      Bypass在英語中有抄小路、旁路的意思,在電路中也是這個意思,如下圖所示。

       

      couple在英語中是一對的意思,引申為配對、耦合的意思。如果系統A中的信號引起了系統B中的信號,那么就說A與B系統出現了耦合現象(Coupling),而Decoupling就是減弱這種耦合的意思。

      2、Decoupling

      Couple 一對,一雙。動詞引申為配對,連接的意思。如果系統A中出現的事物(信號)引起了系統B中一事物(信號)的出現,或者反過來,那么我們就說系統A與系統B出現了耦合(Coupling)。Decoupling退耦即減弱這種耦合。

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      三、電路中的旁路和去耦

      如下圖中,直流電源Power給芯片IC供電,在電路中并入了兩個電容。

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      1、旁路

      如果Power受到了干擾,一般是頻率比較高的干擾信號,可能使IC不能正常工作。

      在靠近Power處并聯一個電容C1,因為電容對直流開路,對交流呈低阻態。

      頻率較高的干擾信號通過C1回流到地,本來會經過IC的干擾信號通過電容抄近路流到了GND。這里的C1就是旁路電容的作用。

      2、去耦

      由于集成電路的工作頻率一般比較高,IC啟動瞬間或者切換工作頻率時,會在供電導線上產生較大的電流波動,這種干擾信號直接反饋到Power會使其產生波動。

      在靠近IC的VCC供電端口并聯一個電容C2,因為電容有儲能作用,可以給IC提供瞬時電流,減弱IC電流波動干擾對Power的影響。這里的C2起到了去耦電容的作用。

      四、為什么要用2個電容

      回到本文最開始提到的問題,為什么要用0.1uF和0.01uF的兩個電容?

      電容阻抗和容抗計算公式分別如下:

      容抗與頻率和電容值成反比,電容越大、頻率越高則容抗越小,對交流電的阻礙作用就越小?梢院唵卫斫鉃殡娙菰酱,濾波效果越好。那么有了0.1uF的電容旁路,再加一個0.01uF的電容不是浪費嗎?

      實際上,對一個特定電容,當信號頻率低于其自諧振頻率時呈容性,當信號頻率高于其自諧振頻率時呈感性。當用0.1uF和0.01uF的兩個電容并聯時,相當于拓寬了濾波頻率范圍。

      兩種方式組合濾波

      實際電路中我們需要去耦的頻率范圍會比較寬,因此一個電容搞不定,那怎么辦呢?我們經常有兩種方法來解決,一種是使用一個大電容和一個小電容并聯,還有一種是使用多個相同的電容并聯。

      以下是正點原子開發板上面的一些模塊芯片的電路,可供參考。

       

      CH340

       

      STM32

       

      MP2359

       

      MPU6050

      五、電容選型建議

      頻率范圍/HZ 電容取值
      DC-100K 10uF以上的鉭電容或鋁電解
      100K-10M 100nF(0.1uF)陶瓷電容
      10M-100M 10nF(0.01uF)陶瓷電容解
      100M以上 1nF(0.001uF) 陶瓷電容和PCB的地平面與電源平面的電容解

      所以,以后不要見到什么都放0.1uF的電容,有些高速系統中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。

      Tags:電容模型,電容,旁路電容,去耦電容  
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