【硬件电路知识】深度剖析去耦、旁路、滤波电容

news2025/1/29 14:03:53

去耦电容（Decoupling capacitor），也称为旁路电容或绕噪电容，是一种用于消除电路中噪声和波动的电容器。它通常与其他电子元件（如集成电路、传感器、放大器等）一起使用，以提供稳定的电源电压和减少信号干扰

简单的例子：一个电源上连接了 N 多个负载，由于负载电压变化，导致 VCC 提供的 DC 呈现噪声，而我们仅需在每个负载的正负极之间并联一个电容（作为去耦电容），即可吸收这部分噪声而使电压平缓

电容越大，则去耦效果越好

用于去耦的电容最常用的是便宜却实用的陶瓷电容，以及成本较高的钽电容

电容除了其基本特性之外，还有两个阻碍电流流动的因素：

随着电容封装越来越小，ESL 随之也降低；
若要覆盖更高频率的旁路噪声，那必须尽可能的降低 ESL 的值；

同样容值，贴片（SMD）封装的电容比穿孔的电容效果更好

极端情况下，你可能会遇到如下有 6-7 个电容组成的去耦电容组

不同类型、容量的电容，分别赋予了不同的能力，将他们组合在一起可以针对大型设施提供去耦工作

在这里插入图片描述

去耦半径对于电容的解释

去耦电容离芯片尽可能近，如果太远了超出了去耦半径就会导致去耦作用大打折扣

去耦半径怎么来的？
噪声源附近的一个小平面会产生电压扰动，电容捕获这一扰动并进行补偿，而这段补偿并反馈是需要一个时间片的，去耦半径的作用就是让这个时间片内反馈可以完美的消去噪声，而不会因为出现反馈过慢而导致相位不符使得噪声无法完全消去的结果。

去耦半径对于电路线干扰的解释

去耦半径（Decoupling Radius）是指电路板上两个相邻信号线之间的最小距离，用于减小信号线之间的相互干扰和串扰。它是设计电路板时考虑信号完整性和 EMI（电磁干扰）抑制的重要参数之一。

高速数字电路设计中，信号线之间的相互干扰和串扰可能导致信号完整性问题，去耦半径是通过在信号线周围保留一定的空白区域来减少这种干扰和串扰的影响

一般来说，高频信号线需要更大的去耦半径

EMI（Electromagnetic Interference）抑制指的是采取措施来减少或抑制电子设备产生的电磁干扰，或者减少电子设备对其周围环境中其他设备的电磁干扰。

由于电容特性（电容对于直流开路，对于交流低阻），所以直接将其并联在 DC 电源两端，此时直流电中的高频干扰信号就会通过电容直接回流到地，消去了电源噪声，这个就是旁路电容

旁路电容的作用和去耦电容一致，他的称呼来自于如下两种场景：

滤波电容指安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件

滤波电容和旁路电容功能几乎一致，均为接在电源正负端，用于消去高频噪声，但是对于低频噪声消去效果微弱（需要使用电感等进行滤波）

滤波电容要求电容值较高，约为数百至数千微法
滤波电容常用电解电容，在大多数 AC 转 DC 电路中，设置这些滤波电容可以使得电路性能稳定

工作原理：输入电压高于滤波电容两侧电压，电容充电；输入电压小于滤波电容两侧电压，电容开始放点；如此循环，得到相对平缓的电流波动

滤波电容容量选择

滤波电容的容量越大，相应的纹波电压下降，但容量过大则对我们的收益就十分渺小了，而且成本也急剧上升
滤波电容的容量过大，则充电电流（纹波电流）也会越大，而输入电流过大亦会对器件造成冲击而减少寿命
平时做设计，前级用 4.7uF，用于滤低频，二级用 0.1uF（104 电容），用于滤高频。
4.7uF 的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，
0.1uF 的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。
一般低频滤波电容越大越好，两个电容值相差大概 100 倍左右。