滤波电容用在电源整流电路中,用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方,用来消除自激,使放大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时,接在电阻两端使交流信号顺利通过。 1.关于去耦电容蓄能作用的理解1)去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰,干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。你可以把总电源看作密云水库,我们大楼内的家家户户都需要供水,这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,等水过来,我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看,高频器件在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,而器件VCC到总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,阻抗Z=jωL+R,线路的电感影响也会非常大,会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一。(在VCC引脚上通常并联一个去耦电容,这样交流分量就从这个电容接地。)2)有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。 2.旁路电容和去耦电容的区别去耦:去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源,它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。旁路:从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分,另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。我们经常可以看到,在电源和地之间连接着去耦电容,它有三个方面的作用:一是作为本集成电路的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声,切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对
1.滤波器的功能 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个选频电路。 滤波器中,把信号能够通过的频率范围,称为通频带或通带;反之,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带;通带和阻带之间的分界频率称为截止频率;理想滤波器在通带内的电压增益为常数,在阻带内的电压增益为零;实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。 2.滤波器的分类 ( 1)按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 ( 2)按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。 带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。 ( 3)按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。 无源滤波器: 仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。 有源滤波器:由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件);缺点是:通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如 无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。 3. 滤波器的主要参数 ( 1)通带增益A0:滤波器通带内的电压放大倍数。 ( 2)特征角频率 和特征频率fn:它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关,通常对于带通(带阻)滤波器,称为带通(带阻)滤波器的中心角频率 或中心频率f0,是 通带(阻带)内电压增益最大(最小)点的频率。 ( 3)截止角频率 和截止频率f0:它是电压增益下降到 (即)时所对应的角频率。必须注意 不一定等于 。带通和带阻滤波器有两个。 ( 4)通带(阻带)宽度BW:它是带通(带阻)滤波器的两个之差值。 ( 5)等效品质因数Q:对低通和高通滤波器而言,Q值等于 时滤波器电路电压增益的模与通带增益之比,即 ;对带通(带阻)滤波器而言,Q值等于中心角频率与通带(阻带)宽度BW之比。 4. 有源滤波器的阶数 有源滤波器传递函数分母中“S”的最高“方次”称为滤波器的“阶数”。阶数越高,滤波器幅频特性的过渡带越陡,越接近理想特性。一般情况下,一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减;二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。 5. 低通和高通滤波器之间的对偶关系 ( 1)幅频特性的对偶关系 当低通滤波器和高通滤波器的通带增益 A0、 截止频率 或 f0分别相等时,两者的幅频特性曲线相对于垂直线f=f0对称。 ( 2)传递函数的对偶关系 将低通滤波器传递函数中的S换成1/S,则变成对应的高通滤波器的传递函数。 ( 3)电路结构上的对偶关系 将低通滤波器中的 起滤波作用的电容C换成电阻R,并将起滤波作用的电阻R换成电容C,则低通滤波器 转化为对应的高通滤波器。 ESR,是EquivalentSeriesResistance三个单词的缩写,翻译过来就是“等效串连电阻”。 理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串连在一起,所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。 ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。 比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源啦一类的,都使用低ESR的电容器。 同样的,在振荡电路等场合,ESR也会引起电路在功能上发生变化,引起电路失效甚至损坏等严重后果。 所以在多数场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的表现。 不过事情也有例外,有些时候,这个ESR也被用来做一些有用的事情。 比如在稳压电路中,有一定ESR的电容,在负载发生瞬变的时候,会立即产生波动而引发反馈电路动作,这个快速的响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获取了后续的快速调整能力,尤其是功率管的响应速度比较慢,并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候,太低的ESR反而会降低整体性能。 ESR是等效“串连”电阻,意味着,将两个电容串连,会增大这个数值,而并联则会减少之。 实际上,需要更低ESR的场合更多,而低ESR的大容量电容价格相对昂贵,所以很多开关电源采取的并联的策略,用多个ESR相对高的铝电解并联,形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间,换来器件成本的减少,很多时候都是划算的。 和ESR类似的另外一个概念是ESL,也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的ESL,而且容量越大的电容,ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分,并且ESL也会引发一些电路故障,比如串连谐振等。但是相对容量来说,ESL的比例太小,出现问题的几率很小,再加上电容制作工艺的进步,现在已经逐渐忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。 顺便,电容也存在一个和电感类似的品质系数Q,这个系数反比于ESR,并且和频率相关,也比较少使用。 由ESR引发的电路故障通常很难检测,而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是,在仿真的时候,如果无法选择电容的具体参数,可以尝试在电容上人为串连一个小电阻来模拟ESR的影响,通常的,钽电容的ESR通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。 零欧姆电阻的作用 1,在电路中没有任何功能,只是在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。 2,可以做跳线用,如果某段线路不用,直接不贴该电阻即可(不影响外观)。 3,在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆代替,实际调试的时候,确定参数,再以具体数值的元件代替。 4,想测某部分电路的耗电流的时候,可以去掉0ohm电阻,接上电流表,这样方便测耗电流。 5,在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻。 6,在高频信号下,充当电感或电容。(与外部电路特性有关)电感用,主要是解决EMC问题。如地与地,电源和IC Pin间。 7,单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统)。 8,熔丝作用 *模拟地和数字地单点接地* 只要是地,最终都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是"浮地",存在压差,容易积累电荷,造成静电。地是参考0电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷,始终维持稳定,是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地,但发电厂是接大地的,板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,理由如上有四种方法解决此问题:1、用磁珠连接;2、用电容连接;3、用电感连接;4、用0欧姆电阻连接。 磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合。 电容隔直通交,造成浮地。 电感体积大,杂散参数多,不稳定。 0欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。 *跨接时用于电流回路* 当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。 *配置电路* 一般,产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了减少维护费用,应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。 空置跳线在高频时相当于天线,用贴片电阻效果好。 *其他用途* 布线时跨线 调试/测试用 临时取代其他贴片器件 作为温度补偿器件 更多时候是出于EMC对策的需要。另外,0欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要挖孔)。
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