电路设计中滤波电容阻抗随频率变化特性的分析,
电容的本质
两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷
高速电路设计需要考虑高频和低频两种噪声,针对这两种不同的频率,我们应选取不同的滤波电容。“低频噪声选择大电容,高频噪声选择小电容”小电容我们常用0.1UF的电容,这是许多硬件设计工程师达成的共识。在实际工作中,这种说法并不完全正确。我们将就这点进行一些探讨,以便加深对电容选型的理解。
✦ ESL(等效串联电感)由电容器件的引脚电感和电容器件两级间等效电感串联而成,主要取决于封装。
✦ ESR(等效串联电阻)由电容器件的引脚电阻和电容器件两级间等效电阻构成,主要取决于电容的工作温度、工作频率以及电容本身的导线电阻等。
✦ Rleak则取决于电容器件本身特有的泄漏特性。
滤波电容的机制是为噪声等干扰提供一条低阻抗回路,在噪声频率点上,要求滤波电容的阻抗较小。
高频滤波电容:
主要工作在开关电源整流后的滤波,其工作频率为几千Hz到几万Hz。其锯齿波电压频率高达数万赫兹,甚至是数十兆赫兹。
这时电容量并不是其主要指标,衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗,同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。
低频滤波电容:
主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波,其工作频率与市电一致为50Hz。50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器,其脉动电压频率仅为100赫兹,充放电时间是毫秒数量级。
为获得更小的脉动系数,所需的电容量高达数十万微法,因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主,电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。
对电容器件而言,由于电容分量的存在,电容器件的阻抗随着频率的升高而逐渐降低,这是电容器件的本体属性;ESL分量则使阻抗随着频率的升高而逐渐增加。这两种作用正好相反。在电容分量和ESL分量的共同作用下,电容器件的整体阻抗表现为,随着频率的升高,首先是电容分量起主导作用,使阻抗逐步变小,器件表现为电容的阻抗特性,滤波效果渐强;
当达到某一频点时发生谐振,此时电容分量和ESL分量对阻抗的效果正好抵消,在谐振点上,电容器件阻抗最小,等于ESR分量;此后,随着频率继续升高,ESL分量起主导作用,使阻抗逐步增大,器件表现为电感的阻抗特性,滤波效果渐弱。
滤波电容的作用机制是为噪声等干扰提供一条低阻抗回路,在噪声频率点上,要求滤波电容的阻抗较小,即当噪声频率落在谐振点附近时,滤波效果最好。如图2.12所示,谐振点由两条曲线交会而成,左边的曲线取决于电容器件的容值C,右边的曲线取决于电容器件的ESL。由谐振频率公式: F=(ESLXC)-1/2知,C和ESL越大,则谐振频率越低,即电容对高频干扰的滤波效果越差;C和ESL越小,谐振频率越高,越适于滤除高频干扰。
高速设计中,噪声等干扰往往不是处在一个频率点上,而是占据一段频带。在实际工作中,期望电路上每一处的噪声频带都得到准确定位并不现实,这就要求设计者在电路设计中,利用多种不同的电容构造一个比较宽的低阻抗频带,以尽可能地覆盖噪声频带。如图2.13所示,用三种电容并联,其效果是构成一段比较宽的低阻抗频带。更多硬件设计资料,尽在小北设计。小北尽可能的收集更的多有用知识,让多大更家全面的学习。
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