02

PART

做什么

1

濾波電容

電容作為濾波功能使用是電容的一項重要特性。濾波功能利用的是電容的阻抗隨頻率變化的特性（前面說過電容是一個跟電阻差了90度并且隨著頻率變化的器件），再利用電阻篇講的 分壓原理 ，就可以構(gòu)成簡單的無源RC濾波器了。濾波指的是濾出不需要頻率的波形,濾波器的類型有低通、高通、帶通、帶阻。

舉個例子：

設(shè)計一個頻率為1Kz的一階低無源低通RC濾波器。

先確定濾波器的形狀和電容的大小，然后再求出電阻的值。

首先電容不可能是串聯(lián)在電路中，如果串聯(lián)在電路中那么直流沒法通過，那么就不是低通濾波器了。因此確定了如圖所示的 分壓模式 。

電容的選取，有很多講究。需要要根據(jù)輸入輸出阻抗，濾波器要求的精度，頻率大小，現(xiàn)有電容器種類等選擇。這里先選擇一個100nF的電容，因為高精度的電容容值都不大，并且1Kz頻率下100nF電容的阻抗約等于1.59K,那么對應(yīng)的電阻R1也在1k左右，電阻在1K-10K之間是工程師最常用的，因為阻值在這個范圍電阻的功耗不大，并且熱噪聲也相對較小（電阻越大熱噪聲越大）。

因此先確定電容為100nF。那么可能有人會問，為什么不先確定電阻，再選電容呢？這就要考慮實際情況了，因為電阻的種類比電容多很多，選取相對容易，因此這里要先定電容，再根據(jù)電容的阻抗選取電阻。

接下來讓我們分壓公式，來計算這個濾波器輸入輸出關(guān)系

濾波器通帶的-3dB截止頻率為

根據(jù)復(fù)數(shù)的模值計算方法

通過公式可以看出一階無源RC濾波器-3dB截止點，只需要

也可以通過復(fù)平面的方法直觀描述，如下圖所示：

1+jwC的復(fù)平面表示

通過復(fù)平面可以看到模值隨著w增加而增加，而則減。上面已經(jīng)求得，在濾波器通帶截止的時候輸出輸入的關(guān)系是，那么通過復(fù)平面很容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)wRC=1的時候，模式為，并且通過圖形可以直觀看出相位差了-45度。

把帶入仿真軟件Multisim中，觀察器幅頻和相頻特性。

仿真的幅頻和相頻特性跟理論分析一致。

濾波器的分析是利用電容阻抗分壓原理進行計算的。電容的測量也可以利用與已知電阻，阻抗分壓原理計算。

如下圖所示，R1是已知電阻為1.59k，輸入信號為Vi，通過測量輸出信號Vo求未知電容C1的值。

這里拋出一個問題：如果測量的電壓Vo剛好是總電壓Vi的一半，那么電容的阻抗剛好等于R1嗎？（我們知道如果C1是電阻的話，可得測試待測電阻大小就為R1）在之后的RLC測量篇中我會詳細介紹。

2

隔直電容

隔直電容嚴格的講歸類在濾波電容里面，只不過隔直電容太過重要且常用，因此單獨拿出來講解。

隔直電容利用的是電容阻直流通交流的性質(zhì)。

在工程應(yīng)用或者競賽中，經(jīng)常會要求輸出正負對稱無直流分量的波形，因為直流不僅不攜帶信息（直流也可以攜帶信息，但相對于交流攜帶信息太少），而且還會增加系統(tǒng)的功耗或者導(dǎo)致系統(tǒng)飽和。

舉個例子：

我們用的DA芯片基本都是單極性的，只能輸出正值0V以上的波形，那么怎么變成正負對稱的呢？全部是單電源的系統(tǒng)怎么輸出雙極性的波形呢？

如下圖所示，選擇一個合適的隔值電容C1串連在系統(tǒng)中，就可以解決這些問題。

通常隔直電容容值都比較大，那么到底有沒有一個明確的選擇標(biāo)準(zhǔn)呢？當(dāng)然還是有的，隔直電容需要根據(jù)頻率和負載電阻來選擇。如果你仔細觀察的話，隔直電容和負載電阻其實還是構(gòu)成了一個 分壓網(wǎng)絡(luò) ，可以歸類到高通濾波器。在濾波電容那里我們得到一個結(jié)論就是當(dāng)電阻的阻抗等于電容的阻抗的時候，剛好在通帶的截止頻率處，此時，我們這里只是想把直流分量去掉，對交流分量不作衰減，因此需要讓 電容的阻抗遠小于電阻的阻抗 ，這樣交流信號在負載電阻上分到的電壓就遠大于電容上的電壓，即需要的交流電壓全部加在負載上，此時交流分量。

知道了怎么利用電容把非對稱的波形變成對稱的了之后，反過來怎么給對稱的波形，加一個直流分量呢？

這里的電容C1也叫做耦合電容，當(dāng)頻率高的時候隔離電阻可以換成電感，這樣效果更好。想讓偏執(zhí)電壓受控的話，可以把這電源VDC換成DA，或者接一個電位器手動調(diào)節(jié)。這里還利用到直流通路和交流通路的概念，以后會詳細講解。

3

去耦電容

去耦和旁路可以算成一類，都是利用電容把高頻噪聲導(dǎo)入GND，是電容中應(yīng)用最廣的一類。

去耦電容常用在芯片電源管腳處，距離管腳越近越好，一般是用容值一大一小的兩個電容，并且電容要放在電流的入口處，小電容在里面，大電容在外邊。小電容濾高頻，大電容濾低頻。去耦電容一般選取0.1uF和10uF。

電源的干凈程度（噪聲多少）決定了整個系統(tǒng)性能的優(yōu)良程度，電源噪聲一部分是電源自身產(chǎn)生的，比如開關(guān)電源的開關(guān)噪聲，還有很大一部分是芯片工作的時候產(chǎn)生的耦合到電源上，比如數(shù)字芯片，會按照固定的Clock運行，門級開關(guān)的導(dǎo)通與斷開或者大功率器件的按照一定時序工作，都會讓電源產(chǎn)生一定程度的波動。為了不讓產(chǎn)生的這些噪聲，影響到別的器件正常工作，或者影響到自身的正常工作，需要在芯片電源管腳處加電容進行去耦。

關(guān)于電源去耦還有很多知識，在電感和EMI的文章中以后將會詳細介紹。

這里在稍微講解下為什么是小電容濾高頻，大電容濾低頻。

大家有沒有很好奇大電容濾低頻可以理解，那么為什么大電容不能濾高頻呢，不是電容越大頻率越高，阻抗就越小，濾波效果就越好嗎？那電源去耦那里直接用一個大容量又便宜的電解電容不就解決了嗎？為什么一般的芯片管腳都用兩個一大一小的電容甚至有些射頻芯片還用4個呢？

通過下面的這張不同容值的電容阻抗隨頻率變化的圖就可以看出了，前面在延伸閱讀那里有提到，實際的電容模型，存在串聯(lián)電感，因此阻抗不會隨著頻率升高一直下降，存在一個諧振點，過了諧振點電容器整體呈感性，隨著頻率升高阻抗變大。

電容越大串聯(lián)電感就越大，諧振頻率就越低，導(dǎo)致大容量的電容在高頻的時候還沒小電容阻抗低，也就是 大電容在高頻濾波效果不如小電容 。

4

儲能電容

儲能電容一種是用在電源入口出，或者大功率器件旁邊，為了減少因為功率器件突然工作產(chǎn)生時，電源響應(yīng)速度不夠，而帶來電壓波動。

還有一種是在開關(guān)電源中和電感一起作為儲能元件使用。

可以把穩(wěn)壓電源想象成為如下的一種情形：當(dāng)試圖從一個直徑較大的自來水管中取出連續(xù)不斷的且較小的水流時，可以采用兩種策略：一種是使用一個轉(zhuǎn)接閥門，并將閥門開啟在較小位置，這就是線性電源的工作原理（可以將閥門看作晶體管）。

線性電源的電壓調(diào)整晶體管上承受著很大的“壓力”（具體的表現(xiàn)是轉(zhuǎn)換為熱能的形式散耗）；或者，可以改進一下，讓大水管的水流到一個比較大的“水桶”里，小水管連接到這個水桶上取水，接著，需要做的就是斷續(xù)的打開/關(guān)閉大水管上的閥門，保證水桶內(nèi)的水既不會完全沒有，也不會因為太多而溢出——開關(guān)電源的基本原理就是如此。

這里的電容和電感儲存能量就是充當(dāng)“水桶”的概念，負載RLoad在電容電感上獲取能量。

Buck電路（降壓）

Boost電路（升壓）

5

諧振電容

諧振電容與電感一起組成LC諧振電路，有時候也叫做LC震蕩電路。包括LC串聯(lián)諧振和LC并聯(lián)諧振。諧振電路廣泛應(yīng)用在濾波、選頻、調(diào)諧等電路。諧振電路以后會詳細介紹。

03

PART

買什么

如何選取電容很大程度上取決于電容的用途。因為設(shè)計時要尋求成本和性能的最佳平衡，所以必須考慮所用場合，例如：隔直耦合和旁路選擇低精度的電容，因為這三種用途對容值變化不敏感。濾波、諧振之類的則需要用高精度的電容，電源設(shè)計需要高功率，高耐壓的電容。

下面介紹說下我在工程上常用的電容：

跟電阻一樣這里推薦使用購買全系類的電容樣品本，里面是NP0和XR7系列的貼片MLCC。性能優(yōu)良，但是缺點就是機械性能不好，容易斷裂，不能長時間焊接，溫度也不能太高，反復(fù)焊接電極容易脫落。在做PCB高頻小型化的時候建議使用。

還有購買系列的獨石電容，機械性能很好，建議做高精度濾波器的時候使用獨石電容（NP0和X7R）。尤其是在洞洞板（萬用板）上焊接的時候，如果你使用貼片電容，你會發(fā)現(xiàn)焊好的濾波器摔下就壞了，所以建議在洞洞板上焊接濾波器，使用獨石電容。

電解電容價格便宜容量大耐壓高，在電源去耦和儲能上使用。

鉭電容體積小容量大速度快ESR小，在高精度電源系統(tǒng)和小型化場合使用。

CBB電容主要是功率、耐壓值和ESR優(yōu)良，做開關(guān)電源和大功率場合使用。