为什么选择旁路电容很重要
旁路电容使用和选择

简介旁路电容常见于电子设备的每个工作部分。
大多数工程师都知道要对系统、电路甚至每个芯片进行旁路。
很多时候我们选择旁路电容是根据过往的设计经验而没有针对具体电路进行优化。
本应用指南旨在对看似简单的旁路电容的设计思路进行探讨。
在分析为什么要使用旁路电容之后,我们会介绍有关电容基础知识、等效电路、电介质所用材料和电容类型。
接下来对旁路电容的主要功能和使用场合进行区分。
与仅工作在高频的电路不同,会产生大尖峰电流的电路有不同的旁路需求。
另外还会讨论一些有针对性的问题,如,运用多个旁路电容以及电路板布局的重要性。
最后,我们给出了四个具体的示例。
这四个例子涉及了高、低电流和高、低频率。
为什么要使用旁路电容非常常见(和相当令人痛心)的是用面包板搭建一个理想配置电路时,经常会遇到电路运行不稳定或者根本就不能运行的情况(见图1)。
来自电源、内部IC 电路或邻近IC 的噪声可能被耦合进电路。
连接导线和电路连接起到了天线的作用而电源电压产生变化,电流随之不稳定。
图2所示为通过示波器所观察到的电源引脚上的信号波形。
图2. 示波器所观察到的同相放大器直流电源引脚的波形我们可以看到,直流电压附近有很多高频噪音(约10mV P-P ) 。
此外,还有之前提到的幅度超出50mVr 的周期性电压脉冲。
因假定电源为稳定值(恒定为直流电压),那么任何干扰都将被直接耦合到电路并可能因此导致电路不稳定。
电源的第一道抗噪防线是旁路电容。
通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电,旁路电容消除了电源电压的波动。
旁路电容为电源建立了一个对地低阻抗通道,在很宽频率范围内都可具有上述抗噪功能。
要选择最合适的旁路电容,我们要先回答四个问题: 1、需要多大容值的旁路电容2、如何放置旁路电容以使其产生最大功效3、要使我们所设计的电路/系统要工作在最佳状态, 应选择何种类型的旁路电容?4、隐含的第四个问题----所用旁路电容采用什么样的封装最合适?(这取决于电容大小、电路板空间以及所选电容的类型。
去耦电容、旁路电容、滤波电容的选择和区别

区别去耦电容去除在期间切换时从⾼高配到配电⽹网中的RF能量量储能作⽤用,供局部化的直流电源,减少跨板浪涌电流在VCC 引脚通常并联⼀一个去耦电容,电容同交隔直将交流分量量从这个电容接地有源器器件在开关时产⽣生的⾼高频开关噪声江燕电源线传播,去耦电容就是提供⼀一个局部的直流给有源器器件,减少开关噪声在板上的传播并且能将噪声引导到地。
如果主要是为了了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以称为去耦电容;旁路路电容从元件或电缆中转移出不不想要的共模 RF 能量量。
这主要是通过产⽣生 AC 旁路路消除⽆无意的能量量进⼊入敏敏感的部分,另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。
在电路路中,如果电容起的主要作⽤用是给交流信号提供低阻抗的通路路,就称为旁路路电容;电⼦子电路路中,去耦电容和旁路路电容都是起到抗⼲干扰的作⽤用,电容所处的位置不不同,称呼就不不⼀一样了了。
对于同⼀一个电路路来说,旁路路(bypass)电容是把输⼊入信号中的⾼高频噪声作为滤除对象,把前级携带的⾼高频杂波滤除,⽽而去耦 (decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的⼲干扰作为滤除对象。
滤波电容选择经过整流桥以后的是脉动直流,波动⽅方位很⼤大,后⾯面⼀一般⽤用⼤大⼩小两个电容⼤大电容⽤用来稳定输出,因为电容两端电压不不能突变,可以使输出平滑,⼩小电容⽤用来滤除⾼高频⼲干扰,使输出电压纯净,电容越⼩小,谐振频率越⾼高,可滤除的⼲干扰频率越⾼高容量量的选择⼤大电容,负载越重,吸收电流的能⼒力力越强,这个⼤大电容的容量量就要越⼤大⼩小电容,凭经验,⼀一般104 即可1、电容对地滤波,需要⼀一个较⼩小的电容并联对地,对⾼高频信号提供了了⼀一个对地通路路。
2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
3、理理论上说电源滤波⽤用电容越⼤大越好,⼀一般⼤大电容滤低频波,⼩小电容滤⾼高频波。
4、可靠的做法是将⼀一⼤大⼀一⼩小两个电容并联,⼀一般要求相差两个数量量级以上,以获得更更⼤大的滤波频段.滤波电容电源和地直接连接去耦电容1.为本集成电路路蓄能电容2.滤除该期间产⽣生的⾼高频噪声,切断其通过供电回路路进⾏行行传播的通路路3.防⽌止电源携带的噪声对电路路构成⼲干扰滤波电容的选⽤用原则在电源设计中,滤波电容的选取原则是: C≥2.5T/R其中: C 为滤波电容,单位为UF; T 为频率, 单位为Hz,R 为负载电阻,单位为Ω当然,这只是⼀一般的选⽤用原则,在实际的应⽤用中,如条件(空间和成本)允许,都选取C≥5T/R.PCB制版电容的选择⼀一般的10PF 左右的电容⽤用来滤除⾼高频的⼲干扰信号,0.1UF 左右的⽤用来滤除低频的纹波⼲干扰,还可以起到稳压的作⽤用。
共射放大电路旁路电容的作用

共射放大电路旁路电容的作用1.引言1.1 概述共射放大电路是一种常用的电子放大电路拓扑结构,具有广泛的应用范围,包括音频放大、射频放大等。
在共射放大电路中,旁路电容扮演着重要的角色。
旁路电容通过连接输入电阻和输入电容的并联电路,可以起到多种作用。
首先,旁路电容可以提高共射放大电路的低频增益。
由于共射放大电路存在输入电容,导致低频信号放大时出现通频增益下降的情况。
而通过在输入电阻与输入电容之间串联一个旁路电容,可以形成一个带通滤波器,可以让低频信号在这个频段内得到放大,从而提高低频增益。
其次,旁路电容还可以提高共射放大电路的高频响应。
在高频信号输入时,输入电容对高频信号的阻抗较小,容易形成短路,导致信号波通过输入电容而不再进入晶体管管子中。
而通过在输入电阻与输入电容之间并联一个旁路电容,可以形成一个高频分流通路,使得高频信号可以选择性地通过旁路电容而不经过输入电容,从而增强高频信号的放大。
此外,旁路电容还能够稳定共射放大电路的工作状态。
它可以提高共射放大电路的稳定性,使其对温度变化和晶体管参数变化等因素的影响减小。
在实际电路中,晶体管的参数可能存在一定的波动,而旁路电容的引入可以通过消除这些参数变化对电路增益的影响,从而提高了电路的稳定性。
综上所述,旁路电容在共射放大电路中发挥着重要的作用。
它可以提高低频增益、改善高频响应并增强电路的稳定性。
因此,在设计共射放大电路时,合理选择旁路电容的数值和位置,对于获得理想的电路性能具有非常重要的意义。
1.2 文章结构本文旨在探讨共射放大电路中旁路电容的作用。
文章结构如下:引言部分将对本文的主题进行概述。
首先,我们将简要介绍共射放大电路的基本原理,包括其工作原理和特点。
接着,我们将详细讨论旁路电容在共射放大电路中的作用及其对电路性能的影响。
在正文部分,我们将首先阐述共射放大电路的基本原理,包括输入和输出特性,以及其作为一种常见的放大电路的应用情况。
然后,我们将重点讨论旁路电容的作用,这是一种常见的在共射放大电路中应用的电容元件。
关于旁路电容的深度对话

关于旁路电容的深度对话编辑引言:旁路电容是关注度低、没有什么魅力的元器件,一般来说,在许多专题特写中不把它作为主题,但是,它对于成功、可靠和无差错的设计是关键。
来自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz参加了关于该主题的进一步对话。
本文是对话的第一部分。
Dave和Tamara信仰辩论的价值、教育的价值以及谦虚地深入讨论核心问题的价值;简而言之,为了获取知识而展开对一个问题的讨论。
下面请“聆听”并学习。
David: 有一种观念认为,当我们做旁路设计时,我们对低频成分要采用大电容(微法级),而对高频成分要采用小电容(纳法或皮法级)。
Tamara: 我赞成,那有什么错吗?David: 那听起来很好并且是有意义的,但是,问题在于当我在实验室中验证那个规则时并未得到我们想要的结果!我要向您发出挑战,Tamara博士。
Tamara: 好啊!我无所畏惧。
David: 让我们看看,你有一个电压调整器并且它需要电源。
电源线具有一些串联阻抗(通常是电感以及电阻),这样对于短路来说,它在瞬间提供的电流就不会出现大变化。
它需要有一个局部电容供电,如图1所示。
图1:旁路电容的功能。
Tamara: 我到目前均赞成你的观点。
那就是旁路的定义。
Dave,接着说吧。
David: 例如,有些人可能用0.1 μF电容进行旁路。
他们也可能用一个1000pF的电容紧挨着它以处理更高的频率。
如果我们已经采用了一个0.1 μF的电容,那么,紧挨着它加一个1000pF电容就没有意义。
它会增加1%的容值,谁会在意?Tamara: 然而,除了电容值之外,有更多要研究的内容。
这两种数值的电容均不理想。
David: 我们必须考察0.1 μF的实际电路;它存在有效串联电阻(ESR)以及有效串联电感(ESL)。
Tamara: 有时候,你还要把介质损耗一项当成一个并联电阻来考虑,如图2所示。
图2:旁路电容的模型。
David: 现在,当我们遇到具有瞬态特性的这一损耗时,我们假设0.1 μF电容的ESL远远大约1000pF的电容。
为什么选择旁路电容很重要

电容 一样 ,这类 电容不 受压 电效应 影 时 ,负载 瞬 态会 降至 约7 mV,如 图 稳 定性 影 响 极 大 。一 般 而言 ,封 装尺 寸 0
而 且 将 低 ES R、低 ESL I 工 作 须 电流 限 制 电 阻 。此 项 技术 的 另一 好处 使 用 寿 命 要 比 传 统 的 铝 电解 电 容 长 。  ̄I : 宽
温度范 围特性 融于一 体 ,可以说 是旁 是 E R更 低 。 固态 钽 电 容的 电容 值 可以 大 多数 电 容 的 工 作 温 度 上 限 为 15 , S 0℃
命E电子 .21q5l 29 l 01s ̄
容 或 固 态 聚 合 物 钽 电容 相 比 ,往 往 体 的 电 流 ,因 而 产 生 大 约 8m V的 负 载 瞬 IV X R电容 与偏 置 电压 之 间的 关 系 。 0 O 5 积 更 大 且 ES R更 高 。 与 固 态 聚 合 物 钽 态 ,如 图 1 示 。 当 电 容 增 加 到 1 .F 电 容 的封 装 尺 寸和 电压 额 定值 对 其 电压 所 01 t
路 电 容 的 首 选 。 不 过 ,这 类 电 容 也 并 相 对 于温 度和 偏 置 电 压保 持 稳 定 ,因此 但 现 在 0S —CON型 电 容 可 以 在 最 高 非完美 无缺 。根据 电介质 材料 不同 , 选 择 标 准 仅包 括 容 差 、 工作 温 度 范 围 内 15 2 ℃的 温 度 范 围 内 工作 。
容 : 多 层 陶 瓷 电 容 、 固态 钽 电 解 电容 和 铝 电 解 电容 。
计 )。而0S —CON电容则采用有机半
与 陶 瓷 电 容 相 比 , 固 态 钽 电 容 对 导 体 电 解 质 和 铝 箔 阴 极 , 以 实 现 较 低 温 度 、 偏 置 和 振 动 效 应 的 敏 感 度 相 对 的 ES R。 这 类 电容 虽 然 与 固态 聚 合 物 较低 。新 兴 一种 固态 钽 电容 采 用 导 电 聚 钽 电容 相 关 , 但 实 际 上 要 比 钽 电容 早
电容的五个作用

电容的五个作用
电容在电路中有五个主要作用,包括滤波、分压、延时、耦合(隔直)和旁路。
1. 滤波:电容可以与电阻串联,结合分压定律,设计出高低通滤波器。
2. 分压:交流容抗与频率成反比,利用这一特性,电容可实现分压功能。
3. 延时:电容充电时间与串联的电阻和自身电容大小有关,通过控制这些参数可以实现不同的定值延时。
4. 耦合(隔直):电容能够隔离直流分量,常用于前后级传递,以去除偏置电压。
5. 旁路:电容可以滤除高频干扰信号,为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。
旁路电容又称为退耦电容,它能提供能量,使输出电压均匀,降低负载电压波动。
旁路电容应尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚,这样能更好地抑制电压或其他输信号因过大而导致的地电位抬高和噪声。
以上信息仅供参考,如有需要,建议咨询电子领域专业人士。
旁路电容使用和选择

简介旁路电容常见于电子设备的每个工作部分。
大多数工程师都知道要对系统、电路甚至每个芯片进行旁路。
很多时候我们选择旁路电容是根据过往的设计经验而没有针对具体电路进行优化。
本应用指南旨在对看似简单的旁路电容的设计思路进行探讨。
在分析为什么要使用旁路电容之后,我们会介绍有关电容基础知识、等效电路、电介质所用材料和电容类型。
接下来对旁路电容的主要功能和使用场合进行区分。
与仅工作在高频的电路不同,会产生大尖峰电流的电路有不同的旁路需求。
另外还会讨论一些有针对性的问题,如,运用多个旁路电容以及电路板布局的重要性。
最后,我们给出了四个具体的示例。
这四个例子涉及了高、低电流和高、低频率。
为什么要使用旁路电容非常常见(和相当令人痛心)的是用面包板搭建一个理想配置电路时,经常会遇到电路运行不稳定或者根本就不能运行的情况(见图1)。
来自电源、内部IC 电路或邻近IC 的噪声可能被耦合进电路。
连接导线和电路连接起到了天线的作用而电源电压产生变化,电流随之不稳定。
图2所示为通过示波器所观察到的电源引脚上的信号波形。
图2. 示波器所观察到的同相放大器直流电源引脚的波形我们可以看到,直流电压附近有很多高频噪音(约10mV P-P ) 。
此外,还有之前提到的幅度超出50mVr 的周期性电压脉冲。
因假定电源为稳定值(恒定为直流电压),那么任何干扰都将被直接耦合到电路并可能因此导致电路不稳定。
电源的第一道抗噪防线是旁路电容。
通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电,旁路电容消除了电源电压的波动。
旁路电容为电源建立了一个对地低阻抗通道,在很宽频率范围内都可具有上述抗噪功能。
要选择最合适的旁路电容,我们要先回答四个问题: 1、需要多大容值的旁路电容2、如何放置旁路电容以使其产生最大功效3、要使我们所设计的电路/系统要工作在最佳状态, 应选择何种类型的旁路电容?4、隐含的第四个问题----所用旁路电容采用什么样的封装最合适?(这取决于电容大小、电路板空间以及所选电容的类型。
电容(2)旁路电容工作原理深度解析

电容(2)旁路电容⼯作原理深度解析旁路电容(bypass capacitor)在⾼速数字逻辑电路中尤为常见,它的作⽤是在正常的通道(信号或电源,本⽂以电源旁路电容为例)旁边建⽴另外⼀个对⾼频噪声成分阻抗⽐较低的通路,从⽽将⾼频噪声成分从有⽤的信号⽤滤除,也因此⽽得名,如下图所⽰:通常我们见到的旁路电容位置如下图所⽰:如果是⾼密度BGA(Ball Grid Array)封装芯⽚,则旁路电容通常会放在PCB底层(芯⽚的正下⽅),这些旁路电容会使⽤过孔扇出(Fanout)后与芯⽚的电源与地引脚连接,如下图所⽰:更有甚者,很多⾼速处理器芯⽚(通常也是BGA封装)在出⼚时,已经将旁路电容贴在芯⽚上,如下图所⽰:台式电脑的CPU(Central Processing Unit)⼀般都是⽤CPU插槽进⾏安装,很多CPU芯⽚的背⾯(是芯⽚的背⾯,⽽不是贴芯⽚的PCB板背⾯)也会有很多旁路电容,如下图所⽰:总之,旁路电容的位置总是会与主芯⽚越来越靠近,原理图设计⼯程师在进⾏电路设计时,也通常会将这些旁路电容的PCB LAYOUT要点标记起来,⽤来指导PCB布局布线⼯程师,如下图所⽰:那么这⾥就有两个问题了:(1)为什么旁路电容⼀定要与主芯⽚尽可能地靠近?(2)为什么⼤多数旁路电容的值都是0.1uF(104)?这是巧合吗?要讲清楚这两个问题,⾸先我们应该理解旁路电容存在的意义,很多⼈分不清滤波电容、旁路电容,其实本质上两者是没有任何区别,只不过在细节上对电容的要求有所不同。
⽆论电容的应⽤场合名称叫什么,基本的(也是共同的)⼀点特性总是不会变的:储能。
电容的这⼀特性使得外部供电电源有所波动时,与电容并联的对象两端的电压所受的影响减⼩,如下图所⽰:上图中,我们⽤开关K1来模拟扰动的来源,很明显,每⼀次开关K1闭合或断开时,在电阻R1与R2的分压下,电阻R2两端的电压(V DD)都是会实时跟随变化的(即波动很⼤),只不过电压幅度不⼀致⽽已,我们认为开关的切换动作已经产⽣了电源噪声。
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为什么选择旁路电容很重要
设计人员在选择旁路电容,以及电容用于滤波器、积分器、时序电路和实际电容值非常重要的其他应用时,都必须考虑这些因素。
若选择不当,则可能导致电路不稳定、噪声和功耗过大、产品生命周期缩短,以及产生不可预测的电路行为。
电容技术
电容具有各种尺寸、额定电压和其他特性,能够满足不同应用的具体要求。
常用电介质材料包括油、纸、玻璃、空气、云母、聚合物薄膜和金属氧化物。
每种电介质均具有特定属性,决定其是否适合特定的应用。
在电压调节器中,以下三大类电容通常用作电压输入和输出旁路电容:多层陶瓷电容、固态钽电解电容和铝电解电容。
多层陶瓷电容
多层陶瓷电容(MLCC)不仅尺寸小,而且将低ESR、低ESL和宽工作温度范围特性融于一体,可以说是旁路电容的首选。
不过,这类电容也并非完美无缺。
根据电介质材料不同,电容值会随着温度、直流偏置和交流信号电压动态变化。
另外,电介质材料的压电特性可将振动或机械冲击转换为交流噪声电压。
大多数情况下,此类噪声往往以微伏计,但在极端情况下,机械力可以产生毫伏级噪声。
电压控制振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、RF功率放大器(PA)和其他模拟电路都对供电轨上的噪声非常敏感。
在VCO和PLL中,此类噪声表现为相位噪声;在RF PA中,表现为幅度调制;而在超声、CT扫描以及处理低电平模拟信号的其他应用中,则表现为显示伪像。
尽管陶瓷电容存在上述缺陷,但由于尺寸小且成本低,因此几乎在每种电子器件中都会用到。
不过,当调节器用在噪声敏感的应用中时,设计人员必须仔细评估这些副作用。
固态钽电解电容
与陶瓷电容相比,固态钽电容对温度、偏置和振动效应的敏感度相对较低。
新兴一种固态钽电容采用导电聚合物电解质,而非常见的二氧化锰电解质,其浪涌电流能力有所提高,而且无须电流限制电阻。
此项技术的另一好处是ESR更低。
固态钽电容的电容值可以相对
于温度和偏置电压保持稳定,因此选择标准仅包括容差、工作温度范围内的降压情况以及最大ESR。
导电聚合物钽电容具有低ESR特性,成本高于陶瓷电容而且体积也略大,但对于不能忍受压电效应噪声的应用而言可能是唯一选择。
不过,钽电容的漏电流要远远大于等值陶瓷电容,因此不适合一些低电流应用。
固态聚合物电解质技术的缺点是此类钽电容对无铅焊接过程中的高温更为敏感,因此制造商通常会规定电容在焊接时不得超过3个焊接周期。
组装过程中若忽视此项要求,则可能导致长期稳定性问题。
铝电解电容
传统的铝电解电容往往体积较大、ESR和ESL较高、漏电流相对较高且使用寿命有限(以数千小时计)。
而OS-CON电容则采用有机半导体电解质和铝箔阴极,以实现较低的ESR。
这类电容虽然与固态聚合物钽电容相关,但实际上要比钽电容早10年或更久。
由于不存在液态电解质逐渐变干的问题,OS-CON型电容的使用寿命要比传统的铝电解电容长。
大多数电容的工作温度上限为105℃,但现在OS-CON型电容可以在最高125℃的温度范围内工作。
虽然OS-CON型电容的性能要优于传统的铝电解电容,但是与陶瓷电容或固态聚合物钽电容相比,往往体积更大且ESR更高。
与固态聚合物钽电容一样,这类电容不受压电效应影响,因此适合低噪声应用。
为LDO电路选择电容
1 输出电容
低压差调节器(LDO)可以与节省空间的小型陶瓷电容配合使用,但前提是这些电容具有低等效串联电阻(ESR);输出电容的ESR会影响LDO控制环路的稳定性。
为确保稳定性,建议采用至少1μF且ESR最大为1Ω的电容。
输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应。
控制环路的大信号带宽有限,因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。
当负载电流以500mA/μs的速率从1mA 变为200mA时,1μF电容无法提供足够的电流,因而产生大约80mV的负载瞬态,如图1所示。
当电容增加到10μF时,负载瞬态会降至约70mV,如图2所示。
当输出电容再次增加并达到20μF时,调节器控制环路可进行跟踪,主动降低负载瞬态,如图3所示。
这些示例都采用线性调节器ADP151,其输入和输出电压分别为5V和3.3V。
图1 瞬态响应(COUT=1μF)
图2 瞬态响应(COUT=10μF)
图3 瞬态响应(COUT=20μF)
2 输入旁路电容
在VIN和GND之间连接一个1μF电容可以降低电路对PCB布局的敏感性,特别是在长输入走线或高信号源阻抗的情况下。
如果输出端上要求使用1μF以上的电容,则应增加输入电容,使之与输出电容匹配。
3 输入和输出电容特性
输入和输出电容必须满足预期工作温度和工作电压下的最小电容要求。
陶瓷电容可采用各种各样的电介质制造,温度和电压不同,其特性也不相同。
对于5V应用,建议采用电压额定值为6.3~10V的X5R或X7R电介质。
Y5V和Z5U电介质的温度和直流偏置特性不佳,因此不适合与LDO一起使用。
图4所示为采用0402封装的1μF、10V X5R电容与偏置电压之间的关系。
电容的封装尺寸和电压额定值对其电压稳定性影响极大。
一般而言,封装尺寸越大或电压额定值越高,电压稳定性也就越好。
X5R电介质的温度变化率在-40~+85℃温度范围内为±15%,与封装或电压额定值没有函数关系。
图4 电容与电压的特性关系
要确定温度、元件容差和电压范围内的最差情况下电容,可用温度变化率和容差来调整标称电容,见公式1。
CEFF=CBIAS×(1-TVAR)×(1-TOL) (1)
其中,CBIAS是工作电压下的标称电容;TVAR是温度范围内最差情况下的电容变化率(百分率);TOL是最差情况下的元件容差(百分率)。
本例中,X5R电介质在–40~+85℃范围内的TVAR为15%;TOL为10%;CBIAS 在1.8 V时为0.94μF,如图4所示。
将这些值代入公式1,即可得出:
CEFF=0.94μF×(1-0.15)×(1-0.1)=0.719μF
在工作电压和温度范围内,ADP151的最小输出旁路电容额定值为0.70μF,因而此电容符合该项要求。