電容應用基礎

admin @ 2014-03-26 , reply:0

       所謂電容,就是容納和釋放電荷的電子元器件。
       電容的基本工作原理就是充電放電,當然還有整流、振蕩以及其它的作用。
       另外電容的結構非常簡單,主要由兩塊正負電極和夾在中間的絕緣介質組成。
       作為無源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種:

1、應用於電源電路,實現旁路、去藕、濾波和儲能的作用
1)旁路
       旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩壓器的輸出均勻化,降低負載需求。就像小型可充電電池一樣,旁路電容能夠被充電,並向器件進行放電。為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和雜訊。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。

2)去藕
       去藕,又稱解藕。從電路來說,總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大,驅動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由於電路中的電感,電阻(特別是晶元管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對於正常情況來說實際上就是一種雜訊,會影響前級的正常工作。這就是耦合。去藕電容就是起到一個電池的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關雜訊提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合電容一般比較大,是10uF或者更大,依據電路中分佈參數,以及驅動電流的變化大小來確定。
總的來說旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。

3)濾波
       從理論上(即假設電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1uF的電容大多為電解電容,有很大的電感成份,所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容並聯了一個小電容,這時大電容通低頻,小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低,通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過,電容越小高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000uF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。由於電容的兩端電壓不會突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個水塘,不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩衝了電壓。濾波就是充電,放電的過程。
       在電源電路中,整流電路將交流變成脈動的直流,而在整流電路之後接入一個較大容量的電解電容,利用其充放電特性,使整流后的脈動直流電壓變成相對比較穩定的直流電壓。在實際中,為了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產生變化,所以在電源的輸出端及負載的電源輸入端一般接有數十至數百微法的電解電容.由於大容量的電解電容一般具有一定的電感,對高頻及脈衝干擾信號不能有效地濾除,故在其兩端並聯了一隻容量為0.001--0.lpF的電容,以濾除高頻及脈衝干擾.

4)儲能
       儲能型電容器通過整流器收集電荷,並將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000uF之間的鋁電解電容器(如EPCOS公司的 B43504或B43505)是較為常用的。根據不同的電源要求,器件有時會採用串聯、並聯或其組合的形式,對於功率級超過10KW的電源,通常採用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

2、應用於信號電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用:
1)去耦
      舉個例子來講,晶體管放大器發射極有一個自給偏壓電阻,它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合,這個電阻就是產生了耦合的元件,如果在這個電阻兩端並聯一個電容,由於適當容量的電容器對交流信號較小的阻抗,這樣就減小了電阻產生的耦合效應,故稱此電容為去耦電容。

2)振蕩/同步
      包括RC、LC振蕩器及晶體的負載電容都屬於這一範疇。

3)時間常數
      這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時,電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述: i = (V/R)e-(t/CR)

最後說下電解電容的使用注意事項:

  1. 電解電容由於有正負極性,因此在電路中使用時不能顛倒聯接。在電源電路中,輸出正電壓時電解電容的正極接電源輸出端,負極接地,輸出負電壓時則負極接輸出端,正極接地.當電源電路中的濾波電容極性接反時,因電容的濾波作用大大降低,一方面引起電源輸出電壓波動,另一方面又因反向通電使此時相當於一個電阻的電解電容發熱.當反向電壓超過某值時,電容的反向漏電電阻將變得很小,這樣通電工作不久,即可使電容因過熱而炸裂損壞.
  2. 加在電解電容兩端的電壓不能超過其允許工作電壓,在設計實際電路時應根據具體情況留有一定的余量,在設計穩壓電源的濾波電容時,如果交流電源電壓為220~時變壓器次級的整流電壓可達22V,此時選擇耐壓為25V的電解電容一般可以滿足要求.但是,假如交流電源電壓波動很大且有可能上升到250V以上時,最好選擇耐壓30V以上的電解電容。
  3. 電解電容在電路中不應靠近大功率發熱元件,以防因受熱而使電解液加速乾涸.
  4. 對於有正負極性的信號的濾波,可採取兩個電解電容同極性串聯的方法,當作一個無極性的電容.

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關於濾波電容、去耦電容、旁路電容作用
濾波電容用在電源整流電路中,用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。
去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方,用來消除自激,使放大器穩定工作。
旁路電容用在有電阻連接時,接在電阻兩端使交流信號順利通過。
1.關於去耦電容蓄能作用的理解

  1. 去耦電容主要是去除高頻如RF信號的干擾,干擾的進入方式是通過電磁輻射。而實際上,晶元附近的電容還有蓄能的作用,這是第二位的。你可以把總電源看作密雲水庫,我們大樓內的家家戶戶都需要供水,這時候,水不是直接來自於水庫,那樣距離太遠了,等水過來,我們已經渴的不行了。實際水是來自於大樓頂上的水塔,水塔其實是一個buffer的作用。如果微觀來看,高頻器件在工作的時候,其電流是不連續的,而且頻率很高,而器件VCC到總電源有一段距離,即便距離不長,在頻率很高的情況下,阻抗Z=i*wL+R,線路的電感影響也會非常大,會導致器件在需要電流的時候,不能被及時供給。而去耦電容可以彌補此不足。這也是為什麼很多電路板在高頻器件VCC管腳處放置小電容的原因之一(在vcc引腳上通常並聯一個去藕電容,這樣交流分量就從這個電容接地。)
  2. 有源器件在開關時產生的高頻開關雜訊將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件,以減少開關雜訊在板上的傳播和將雜訊引導到地

2.旁路電容和去耦電容的區別
     去耦:去除在器件切換時從高頻器件進入到配電網路中的RF能量。去耦電容還可以為器件提供局部化的DC電壓源,它在減少跨板浪涌電流方面特別有用。
     旁路:從元件或電纜中轉移出不想要的共模RF能量。這主要是通過產生AC旁路消除無意的能量進入敏感的部分,另外還可以提供基帶濾波功能(帶寬受限)。
 
我們經常可以看到,在電源和地之間連接著去耦電容,它有三個方面的作用:一是作為本集成電路的蓄能電容;二是濾除該器件產生的高頻雜訊,切斷其通過供電迴路進行傳播的通路;三是防止電源攜帶的雜訊對電路構成干擾。
     在電子電路中,去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用,電容所處的位置不同,稱呼就不一樣了。對於同一個電路來說,旁路(bypass)電容是把輸入信號中的高頻雜訊作為濾除對象,把前級攜帶的高頻雜波濾除,而去耦(decoupling)電容也稱退耦電容,是把輸出信號的干擾作為濾除對象。

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大電容並聯小電容作用及應用原理
      大電容由於容量大,所以體積一般也比較大,且通常使用多層卷繞的方式製作,這就導致了大電容的分佈電感比較大(也叫等效串聯電感,英文簡稱ESL)。
     電感對高頻信號的阻抗是很大的,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,由於容量小,因此體積可以做得很小(縮短了引線,就減小了 ESL,因為一段導線也可以看成是一個電感的),而且常使用平板電容的結構,這樣小容量電容就有很小ESL這樣它就具有了很好的高頻性能,但由於容量小的緣故,對低頻信號的阻抗大。
      所以,如果我們為了讓低頻、高頻信號都可以很好的通過,就採用一個大電容再並上一個小電容的方式。
       常使用的小電容為 0.1uF的瓷片電容,當頻率更高時,還可並聯更小的電容,例如幾pF,幾百pF的。而在數字電路中,一般要給每個晶元的電源引腳上並聯一個0.1uF的電容到地(這個電容叫做退耦電容,當然也可以理解為電源濾波電容,越靠近晶元越好),因為在這些地方的信號主要是高頻信號,使用較小的電容濾波就可以了。




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