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旁路电容的作用与应用原理详解

时间:2017-06-21 来源: 作者:

在基本电路里面,我想讨论一下旁路电容。本文将讲述旁路电容的作用,讲述该在什么时候使用它们,以及你应该注意什么以及旁路电容的作用。

在电子电路词典里面可以找到旁路电容的定义:

Bypass capacitor: A capacitor employed to conduct an alternaTIng current around a component or group of components. Often the AC is removed from an AC/DC mixture, the DC being free to pass through the bypassed component.

旁路电容(bypass电容):用于导通或者吸收某元件或者一组元件中交流成分的一种电容。通常交直流中的交流部分被去除,而允许直流部分通过加有旁路电容的元件。

实际上,大多数诸如微控制器(单片机)等的数字电路都是直流电路。这种电路里面的电压水平的变化会造成很多问题。如果电压变化太多,电路可能就会不正常地工作。对大多数情况来讲,纹波电压被认为是交流成分,旁路电容的目的就是要抑制这种交流成分,抑制这种电压噪声。旁路电容的另外一种说法就是滤波电容。

 

旁路电容的作用

 

在左边的电路图里面,你可以清楚地看到当使用了滤波电容以后电压噪声的变化情况。注意到两种电压的波动幅度的差别很小(在5到10毫伏)。这个图里面的电压是4.95~5.05V小幅电压。随机的电子噪声造成电压波动,正如图表里面显示那样,这种波动的部分通常被称为“噪声”或者“纹波”。蓝线代表的是没有使用的滤波电容的电压变化,粉红色线是使用了滤波电容了的。纹波电压在几乎所有的直流电路里面都是存在的。在粉红色曲线里面,即使使用了滤波电容以后电压变化幅度变小了,但是“变化”还是存在的,电压还是有纹波噪声。旁路电容的重要功能就是要减小电路里面的纹波的幅值。太大的纹波是极其有害的,使得电路不正常工作。纹波通常又是随机的,当然有时候电路里面其他元器件也会发出噪声。比如继电器和电机经常就能够使电压发生突然的波动,简直就像打破了池塘里面平静的水面一样。其它元器件使用的电流越大,这种纹波噪声的效应也就越明显。

一个常见的问题就是这种小幅的纹波真的就那么值得注意么?是啊,电压水平不是足够精确了吗?答案取决于你设计的电路类型。如果你的电路只是用来将电机连上一个电池,或着点亮一个LED,那么电路里头的纹波恐怕对你来说并不要紧。但是,如果你在使用数字逻辑门电路,情况恐怕就不是那么简单了,纹波肯定能够给你的电路带来麻烦。

首先让我们来考虑一下纹波电压造成的影响。基础电子理论告诉我们电压是势能的差别所引起的,而电流在这种势能的差别中流过;我们知道电压越高,电流越大;我们还知道电压的方向决定了电流的方向。

看看右边的纹波电压图和纹波电流图的放大图。上面部分是两个纹波电压变化情况,和前一副图相似,蓝色的线代表没有使用旁路电容,另一个是使用了旁路电容了的。 沿着该图下面的横轴看,在点2处电压开始上升,而看看下面的纹波电流图,点2处的电流在一个方向有相对较高的幅值,对比一下,点5处电压和电流的方向是相反的。

 

旁路电容的作用

 

注意这种有没有旁路电容(bypass电容)时的差别。通过抑制纹波电压,旁路电容同时也抑制了纹波电流。我想说纹波电压图和纹波电流图很清晰地表达了交流成分的产生,也可以看到电压是如何变化的,以及纹波电流是如何改变方向的。即使这是一个DC电路,纹波也引起了交流成分。旁路电容能够减小AC组分。

纹波电流就像电路中的涡流或者回流,随着电压和电流在电路里头的传播,电压差异和电流差异足以工作。比如,我们假定一个与门,其半导体门输入端保持稳定输入而使得输出保持在稳定状态,门电路里在电流沿着一个方向流经一个PN结的时候工作,如果电流停止了流动,晶体管也就关闭或者截止;如果纹波着相反的错误方向流动,门也就时常关闭,你得到的输出也会跟着改变。由于一个门可能与其他许多门连在一的效应会造成严重的错误。

总之,旁路电容是用于在DC电路里头抑制AC成分的电容。通过使用旁路电容,你的DC电路将不会对纹波电压和纹波电流那么感冒。

使用旁路电容(bypass电容)注意事项

你在许多期刊杂志和书籍里头所看到的电路图都省略了旁路电容。因为他们以为你知道该把它们加入电路里头。而其他时候你或许会看到有一排电容藏在一个电路图的角落里头,似乎没有什么作用。它们通常就是旁路(或者滤波)电容。你只要随便翻开一个数字电路,都不难找到旁路电容的身影。

最常看到旁路电容(bypass电容)的身影的地方就是直接将电源和地连在一起的旁路电容。正如左边图示的那样。这个简单的使用会允许VCC里头的AC成分直接导通到“地”GND。电容的作用也像蓄流一样,当电压因某种原因下降时 充电电容溢出部分电流来填充VCC里面的坑坑洼洼的地方。电容量的大小就决定了它能填充多大的坑洼(电压降),电容量越大能够填充抚平的坑洼也越大。通常使用的是 .1uF的电容。你也可以看到 .01uF也是常有的电容值。追求旁路电容的精确值并没有什么意义。

 

旁路电容的作用

 

因此,你究竟需要多少旁路电容呢?我最笨的做法就是在我每一个电路板上的IC旁边都有自己的旁路电容。实际上,我努力地将旁路电容的一头和Vcc或者GND引脚接在一起。这可能有点矫枉过正,可是过去的这种做法一直都还感觉不错。因此我也向你推荐此法。事实上,你甚至可以在所有DIP封装旁边都使用旁路电容。我认为你只要在每一平方英寸里面都有几个旁路电容,你就可以省心许多了!

另外一个使用旁路电容(bypass电容)的地方就是在电源接头处。每当你使用一个电源线接上一个板子或者使用长导线的时候,我都建议你添加一个旁路电容。任何长度的导线都可以像一个小的天线一样,它能够从任何电磁场里面捕捉到电子噪声。我通常在这种长线的两端都加上旁路电容。

旁路电容的类型特别重要。建议你使用独石瓷片电容。它们的体积小,便宜而且容易买到。我通常使用

管脚间距为.1英寸或者.2英寸,容量 0.1uF 耐压50V精度为±20%的旁路电容;容量为.01uF的电容也行。我会避免使用大容量的旁路电容,因为他们的块头太大了。电解电容通常不适合作为旁路电容使用,因为他们通常都是大容量,且对高频响应并不理想。

纹波的频率可以决定使用什么容量的电容。最精明的办法是,频率越高所需旁路电容容量越小。如果你的电路里头 有个高频元器件,你或许可以考虑并联使用一对电容,一个是大容量一个是小容量。如果你的电路里头纹波非常复杂,你可以多加几个旁路电容,每个电容对应于不同的纹波频率。你也可以加一个ElectrolyTIc capacitor以防低频纹波的幅值太大了。比如,右图中并联使用了三个不同容量的电容,每一个都对一个频率范围的纹波噪声起作用。C4是一个4.7uF电容,可以处理相对低频的电压纹波,C2可以处理中等频率,C3可以处理稍高点的频率,电容的响应频率由它的内部阻抗和感抗决定的。

 

旁路电容的作用

 

总结

旁路电容(bypass电容)能够滤除电路里头的电子噪声,它们靠过滤由纹波电压引起的交流成分 。大多数数字电路都有几个旁路电容。最精明的办法就是在板子上的每一个集成电路旁边都使用旁路电容。旁路电容的常用容量数量级就是0.1uF。高频纹波需要更小容量的电容。