電路中退耦、旁路、耦合電容的確定

2021-01-18 電源網訂閱號

　　在涉及電路板上電容的選擇時，有經驗的前輩們總是告訴我們，要在PCB的電源接入端設置一個1～10μF的電容，用來過濾掉低頻的噪聲。如果要消除高頻的噪聲的話，就在地線和電源之間放一個0.01～0.1μF的電容，這條準則不僅被口口相傳，也被大量應用在各種教科書當中。但是很多剛入門的新手並不明白為其中的原理，本篇文章就將揭開這裡面的秘密。


　　經常接觸電路設計的人都會在設計時將一些小電容放在晶片附近。但是這些電容具體多小?要放多少個?這些問題都沒有相關的參考資料進行說明。今天我們就將這些問題綜合起來，希望能對大家的工作和學習有所幫助。


　　旁路


　　首先要明確一下電路當中旁路的定義。在電路設計過程中，我們有時會根據需要來改變某條支路的頻率特性，使其能夠在某些頻段內產生適當的阻值。而在另一些頻段內則處於近似短路的狀態，於是便產生了旁路電容的概念。旁路電容之所以為旁路電容，是因為它旁邊還存在著一條主路，而並不是某些電容天生就是用來做旁路電容的，也就是說什麼種類的電容都可以用來做旁路電容，關鍵在於電容容值的大小合適與否。旁路電容並不是電解電容或是陶瓷電容的專利。目前低頻電路中多數旁路電容都採用電解電容，其原因在於陶瓷電容容值難以達到所需要的大小。


　　旁路電容在這裡的作用，就是讓特定頻率的信號經過旁路電容之後，使其對主電路來說是短路的。如圖1所示。要求旁路電容需要取值的大小：

　　

　　圖1


　　已知：1、旁路電容要將流經電阻R高於f的交流信號近似短路。求旁路電容的大小。

　　解：旁路電容C的目的，是在頻率f以上將原本流經R的絕大多數電流短路。也即頻率為f時，容抗遠小於電阻值。

　　



　　當f=1khz，R=1k時，C應該遠大於0.16uf。因此取47uf已近很足夠了，當然再大一點也不為過，100uf都還算能接受，電容適當增大可以使得旁路更充分，而且在給定頻率以上支路的品質因數更低，也就使得整個支路表現出來的容性更弱，支路對信號相位的影響更小。旁路電容的值在上述計算值的100到1000倍都可以接受。不過如果要是大於上式計算出結果的5000倍就不太好了。不過再大也不會得到多少回報，甚至有可能帶來不好的後果，因為實際的電容永遠都不是一個純粹的電容。電容越大，帶來的分布電感也將更顯著。


　　耦合


　　從字面意思上來看，耦合有聯繫之意。如果進行信號傳遞的是電容，並且電流通過電容後是從前級傳往後級的，那麼這個電容就是耦合電容。作為耦合電容就應當使得兩級的直流信號無法串通，只有交流信號得以通過，正因為如此使得靜態的設置不相互影響，那麼耦合電容該如何設定呢?


　　已知：如圖2，Rs表示了前級的輸出電阻，R表示了後級的輸入電阻，級間傳遞的信號頻率在f以上，求C的大小。

　　

　　圖2

　　解：要求信號儘可能多的傳到R，則C的容抗應當遠小於R。即：

　　



　　如果R=5000，需要傳輸的信號頻率為1000hz以上，則C=0.032uf。


　　因此3.2uf就可以，當然適當大點會更好。電路輸入的電阻不是簡簡單單經過幾步就能輕易計算出來的，因而建議將輸入電阻取個較小的值，然後估算出電容的值。


　　由上式可知C的大小不受Rs的影響。那麼Rs到底影響了什麼呢?當Rs較大時，R便相對更小，前級信號傳遞到後級的電壓值更小，也就是Rs太大，或是R太小。那麼增加電容的值(加深級間耦合的程度)也無法挽回大局，電壓信號還是會降低很多。


　　退耦


　　退耦最早應用在多級電路當中。為保證前後級間傳遞信號，而又不互相影響各級靜態工作點的而採取措施。在電源中退耦表示晶片內部進行開關動作或輸出發生變化時，需要瞬時從電源線上抽取較大電流，該瞬時的大電流可能導致電源線上電壓的降低，從而引起對自身和其他器件的幹擾。為了減少這種幹擾，需要在晶片附近設置一個儲電的「小水池」以支持這種瞬時的大電流能力。

　　

　　圖3


　　需要注意的是，旁路和退耦都是為了減少電源的噪聲才被放置在電路當中的。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對器件本身的幹擾(自我保護)。退耦是為了減少器件產生的噪聲對電源的幹擾。


　　有的參考資料當中提到退耦和旁路時，都會特意指出退耦是針對低頻的，而旁路是針對高頻的。這種說法雖然沒錯，但並不是非常準確。高速晶片內部開關操作最大會以GHz為單位，由此引起對電源線的幹擾已經不屬於低頻的範圍，以此為目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。本文並不刻意區分退耦和旁路，認為都是為了濾除噪聲，而不管該噪聲的來源。


　　其實退耦電路的圖示並不拘泥於本篇文章當中所介紹的。由於退耦電路本身是一個穩定電源的電壓，電源電壓不發生動搖，如果電源電壓都動搖了，那麼整個電路的靜態都在搖，勢必使得輸出的信號不理想。退耦，顧名思義就是減退耦合，使得電源與後級，後級的級與級之間沒有交流信號的串擾，如此而已，而之所以用兩個電容只是為了達到優勢互補，達到較好的隔交流的作用。


　　通過本篇文章的介紹，相信大家對電路當中旁路、耦合、退耦的設置都有了一定的了解。當再次遇到電路中突然出現的電容時，能夠分析出其真正的作用是什麼。不僅如此，還能憑藉這些知識，使自己設計的電路更加穩定。


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