高速電路設計需要考慮高頻和低頻兩種雜訊,針對這兩種雜訊,應選取不同的濾波電容。「低頻雜訊選用大電容,高頻雜訊選用小電容」,這是許多任務程師達成的共識。但在實際工作中,這種說法並不完全正確。本文將就這一點進行一些**,以便加深對電容選型的理解,不足之處還望大家指正。
首先要說明的是,電容在低頻電路中,可以看做是理想器件,在但是在高速電路中,電容不能再就不再是乙個簡單的「純潔的」電容了。比如在電路兩端用電容c相連時,在直低速電路中,電容兩端可以看做是開路狀態。但在高速電路中,假定工作頻率為f,則此時電容的表現的電抗值為1/(2πfc),所以在頻率很高的情況下,電容c的電抗值很小,表現為短路。這也是為什麼咱們常說電容有通交流阻直流的作用的原因。
等效電路:
高速電路彙總電容器件並不是純粹的電容,而是帶有電阻、電感等成分的小電路,咱們來看看電容的等效電路:
名詞解釋如下:
✦ esl(等效串聯電感)由電容器件的引腳電感和電容器件兩級間等效電感串聯而成,主要取決於封裝。
✦ esr(等效串聯電阻)由電容器件的引腳電阻和電容器件兩級間等效電阻構成,主要取決於電容的工作溫度、工作頻率以及電容本身的導線電阻等。
✦ rleak則取決於電容器件本身特有的洩漏特性。
濾波電容的機制是為雜訊等干擾提供一條低阻抗迴路,在雜訊頻率點上,要求濾波電容的阻抗較小。
諧振頻率點計算
假設工作頻率為f,由等效電路分析可得,電容的阻抗為:
z=esr+j2 πfl+1/(j2πfc)=esr+j[2πfl-1/(2πfc)]
由此可得,當2πfl=1/(2πfc)時,虛部為0時,此時電容的阻抗最小,為esr,可求得f=1/(2π√lc),這個頻率即為電容的諧振頻率。
電容阻抗隨頻率變化特性的分析
如下圖所示,諧振點即為電容分量和esl分量對阻抗效果正好抵消的頻率點。
✦ 諧振點前時,電容分量起主導作用,此時電容器件的阻抗隨頻率的公升高而逐漸減小,器件表現為電容的阻抗特性,濾波效果增強。
✦ 在諧振點上,電容器件的阻抗最小,等於esr分量。
✦ 在諧振點後,esl分量起主導作用,此時電容器件的阻抗隨頻率的公升高而逐漸增大,器件表現為電感的阻抗特性,濾波效果減弱。
低阻抗頻帶擴充套件
高速設計中,雜訊的干擾往往不是處在乙個頻率點上,而是佔據一段頻帶。在實際工作中,準確定位電路上的每一處的雜訊頻帶並不現實,這就要求我們要利用多種不同的電容構造乙個比較寬的低阻抗頻帶,以盡可能的覆蓋雜訊頻帶。
如下圖所示,用三種電容併聯,構成一段比較寬的低阻抗頻帶。
電容封裝封裝相同但容值不同,不能擴充套件阻抗頻帶
我們知道了電容器件的阻抗—頻率曲線由其電容分量和esl分量共同決定,而esl分量是由器件的型別和封裝決定的。當兩個電容的容值不同,但型別和封裝都相同的話,他們的esl也是相同的,如下圖所示為0.01μ電容和1μ電容併聯後的阻抗頻帶,由於他們的封裝相同,0603封裝的0.01μf電容,其阻抗頻率曲線完全被0603封裝的1μf電容的曲線包含,並沒有起到真正的作用。
當採用0603封裝的1μf電容和0402封裝的0.01μf電容搭配,併聯後的阻抗—頻率曲線如下圖所示,此時的低阻抗的頻帶菜得到了展寬。
應用總結
✦ 電容的阻抗—頻率曲線是一種浴盆曲線,曲線的左邊取決於電容分量,右邊取決於esl分量。
✦ 濾波電容併聯以展寬帶帶,不僅要考慮電容值搭配,還需要考慮封裝搭配。
✦ 多個同型號電容併聯時,雖不能展寬低阻抗頻帶,但可以減小諧振點處的阻抗。
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