电路中的旁路电容的原理及其应用技巧

我们知道电容器是一种能够以电场形式存储能量并以预定的时间和速率释放能量的电气设备。此外，电容器会阻止直流电通过交流电。

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。