电路中的旁路电容的原理及其应用技巧

电容器的这两个功能（或功能）都在旁路电容器中使用。

想象一下，您已经设计了一个不错的运算放大器电路，并开始对其进行原型设计，但失望地发现该电路无法按预期工作或根本无法工作。造成这种情况的主要原因可能是来自电源或内部IC电路的噪声，甚至来自相邻IC的噪声可能已耦合到电路中。

来自电源的噪声（规则的尖峰脉冲）是不希望的，必须不惜一切代价消除。旁路电容器是防止电源上有害噪声的第一道防线。

什么是旁路电容器？

通常在集成电路的VCC和GND引脚之间施加一个旁路电容器。旁路电容器消除了电源电压尖峰的影响，并降低了电源噪声。

使用“旁路电容器”这个名称是因为它旁路了电源的高频分量。它也被称为去耦电容器，因为它可以将电路的一部分与另一部分解耦（通常，来自电源或其他IC的噪声被分流，并且在电路的另一部分上的影响减小了）。

旁路电容器通常应用于电路的两个位置：一个位于电源上，另一个位于每个有源设备（模拟或数字IC）上。

位于电源附近的旁路电容器通过存储电荷并在必要时释放电荷（通常在出现尖峰时）来消除电源中的电压降。

来到IC的VCC和GND引脚附近放置的旁路电容器将能够满足开关电路（数字IC）的瞬时电流需求，因为寄生电阻和电感会延迟瞬时电流的传递。

旁路电容器如何消除电源噪声？

要了解旁路电容器如何消除噪声，您需要首先了解电容器在直流和交流下的工作方式。当电容器跨接在直流电源上时（例如示例中的电池），在电介质上会产生电场，导体之一上带有正电荷，而另一导体上带有负电荷。

电容器充电时，瞬态电流从电源中流出。但是，当电容器上的电荷达到最大值（由Q = CV确定）时，电容器导电板之间的电场会使电源的电场无效，并且不再有电荷流过电容器。

因此，在直流电路中，电容器充电至电源电压并阻止任何电流流过该电容器。

当电容器跨时变交流电源连接时，由于充电和放电循环，电流流过的电阻很小或没有电阻。

请记住，将旁路电容器跨接在电源上时，它为从电源到地的噪声（本质上是交流信号）提供了一条低电阻路径。因此，旁路电容器利用交流信号将电源旁路。

由于DC被电容器阻止，它将通过电路而不是通过电容器接地，这就是旁路电容使用的原因，该电容器也称为去耦电容器。

旁路电容器注意事项

没有旁路电容或旁路不当的电路会产生严重的电源干扰，并可能导致电路故障。因此，电路中必须使用适当的旁路电容。

以下是选择旁路电容器时必须考虑的一些注意事项。

● 电容器种类

● 电容器放置

● 电容器尺寸

● 输出负载效应

● 电容器种类

在高频电路中，旁路电容器的引线电感是重要的因素。在> 100MHz之类的高频下切换时，电源轨上会产生高频噪声，并且电源中的这些谐波与高引线电感一起将导致电容器充当开路。

电容器在需要时提供必要的电流，以维持稳定的电源。因此，当从设备（集成电路）的内部噪声中选择用于旁路电源的电容器时，必须选择低引线电感的电容器。

MLCC或多层陶瓷贴片电容器是旁路电源的首选。

电容器放置

旁路电容器的放置非常简单。通常，旁路电容应尽可能靠近设备的电源引脚放置。如果距离增加，PCB上的多余粘性会转化为串联电感器和串联电阻器，从而降低电容器的有用带宽。

因此，电源引脚和旁路电容器之间较长的PCB走线会增加电感，并且会破坏首先引入旁路电容器的目的。

电容器尺寸

确定电容器的尺寸时，要考虑两件事。

从低到高切换引脚时所需的电流量

最大脉冲摆率可计算电容器的最大电流

输出负载效应

如果输出负载是纯电阻性的，则频率不会影响输出的上升和下降时间。但是，如果输出负载是电容性的，则频率的增加将导致更高的瞬态电流和电源振荡。

旁路电容在电路设计中的应用

在哪里使用旁路电容器？

下图显示了分压器偏置放大器的电路图。电阻R1，R2，RC和RE有助于晶体管以Q点偏置在负载线的中间。电阻RE为Q点增加了稳定性。

输入和输出端分别有两个耦合电容器C1和C2。C1将交流信号源耦合到晶体管的基极，而C2将放大信号耦合到负载。

但是讨论的设备是旁路电容CE。由于交流信号的放大，发射极电流很大。如果没有旁路电容，则大的交流发射极电流流经发射极电阻RE，RE两端的交流压降很大。

当RE两端的电压降减去Vin时，这将导致较小的交流基极电流。因此，输出电压降低，电压增益急剧降低。

我们需要提供一个低阻抗路径，以使交流发射极电流从发射极流到地，以防止电压增益损失。这可以通过在发射极和地之间连接一个电容器来实现，该电容器可以用作旁路电容器，以旁路交流发射极电流。

几乎所有的模拟和数字设备都使用旁路电容器。在这两种器件中，旁路电容器（通常为0.1µF的电容器）都非常靠近电源引脚放置。电源也使用旁路电容器，它们通常是较大的10µF电容器。

旁路电容器的值取决于器件，在电源情况下，其值在10µF至100µF之间；在IC情况下，其值通常为0.1µF，或由工作频率决定。

如果设备的带宽约为1MHz，则使用1pF旁路电容。如果带宽约为10MHz或更高，则使用0.1µF电容器。

在某些应用中，并联的旁路电容器网络用于过滤宽范围的频率。

电路中的每个有源器件都必须在电源引脚附近放置一个旁路电容器。如果有多个旁路电容器，则必须将较小容量的电容器放置在靠近设备的地方。

在模拟电路中，旁路电容器通常会将电源上的高频分量定向到地面。否则，这些信号将通过电源引脚进入敏感的模拟IC。如果在模拟电路中未使用旁路电容器，则很有可能会将噪声引入信号路径。

在带有微处理器和控制器的数字电路中，旁路电容器的使用略有不同。数字电路中旁路电容器的主要功能是充当电荷储存器。

在逻辑门以高频开关的数字电路中，在开关期间需要大电流。寄生电阻和电感将不允许开关过程中突然需要大电流。

因此，旁路放置在尽可能靠近电源引脚的位置，以减小寄生电感，它将在电源接通之前提供瞬时电流。

旁路电容器的应用

旁路电容器的主要目的是在通过所需的DC的同时分流电源的不良高频分量。以下是旁路电容器的三个主要应用领域。

补偿当前需求

需要时，使用旁路电容器提供必要的电流。例如，从放大器到扬声器的驱动电流根据信号而变化，并且放大器输出的电流需求取决于信号的强度。

输出端的这种变化的电流导致从电源汲取的变化的电流。功率的这些变化会引起波动，该波动可能会通过电源作为噪声耦合到信号线。

旁路电容器可以用作临时电流源，有助于减少波动。

电源滤波器

在电源中，通常使用100µF或1000µF或更大的大型旁路电容器来过滤整流正弦波的纹波。

数字系统

在数字电路中，所有IC的VCC和GND引脚之间都使用一个旁路电容器。这有助于在IC的一定范围内保持稳定的电源，并消除高频信号进入电源。此外，它们还充当快速开关电路中的瞬时电流提供者。