在硬件電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源濾波環(huán)節(jié)中電容的選擇至關(guān)重要。其中，大電容與小電容搭配使用的方案策略是一個常見且關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。接下來，我們將深入探討這一方案的相關(guān)知識。

常見疑問

在電源濾波過程中，有許多常見的疑問。比如，為何常見電路中多采用大電容和小電容搭配使用？電路中電容的取值依據(jù)是什么？常說的萬能濾波電容瓷片電容 0.1uf 究竟有何特殊之處？如何區(qū)分低頻信號和高頻信號，其參考值是多少？又該如何區(qū)分大電容和小電容，參考值是什么？此外，電容具有濾波、去耦、旁路、儲能等多種作用。
在實(shí)際項(xiàng)目中，電容的取值有不同的例子。例如，3.3V 電源濾波電容值有 0.1uf、1uf、10uf ；BAT 電源濾波電容值有 0.1uf（100nf）、100uf； +6V 電源端濾波電容值有 0.1uf、22uf。

電容理論知識

1. 大電容特點(diǎn)：大電容通常體積較大，采用多層卷繞的結(jié)構(gòu)，這會導(dǎo)致其具有較大的分布電感（等效串聯(lián)電感，ESL）。由于電感對高頻信號的阻抗較大，所以大電容在高頻信號中的表現(xiàn)不佳。
2. 小電容特點(diǎn)：小電容因容量較小，體積可以做得更小，引腳長度的減少降低了 ESL。其采用平板電容結(jié)構(gòu)，具有良好的高頻性能，但對于低頻信號的阻抗較大。
3. 實(shí)際組合使用的方案策略：為了有效濾除低頻和高頻信號，通常將一個大電容與一個小電容并聯(lián)使用。大電容主要用于濾除低頻噪聲，因?yàn)樗鼘Φ皖l信號的阻抗較低；小電容用于濾除高頻噪聲，0.1uf 瓷片電容在這種應(yīng)用中表現(xiàn)良好，對于更高頻率的信號，可并聯(lián)幾 pf 或幾百 pf 的電容。
4. 實(shí)際應(yīng)用：在數(shù)字電路中，每個芯片的電源引腳上通常會并聯(lián)一個 0.1uf 的電容到地，這種電容被稱為去耦電容（或電源濾波電容），目的是濾除高頻信號。電容應(yīng)盡可能靠近芯片，以提高濾波效果。在 PCB 布局中，要考慮電容的作用，不能只做簡單的拉線。
   
   
5. 電容的阻抗特性：理想情況下，電容的阻抗隨頻率的增加而降低 (Z = 1/jwC)。但實(shí)際電容因引腳的分布電感效應(yīng)并非完全理想，當(dāng)頻率超過電容的自諧振頻率（SRF）時(shí)，電容的阻抗表現(xiàn)出電感特性，高頻下阻抗反而增加，電感也有類似特性。大電容與小電容的組合能有效覆蓋從低頻到高頻的信號范圍，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的電源濾波效果。

電容選型

1. 如何選擇濾波電容的容值：濾波電容的容值需根據(jù) PCB 主要工作頻率以及可能影響系統(tǒng)的諧波頻率來決定?？刹殚喯嚓P(guān)廠商提供的電容資料，或參考廠商的資料庫軟件，結(jié)合實(shí)際需求選擇。
2. 電容的數(shù)量：濾波電容的數(shù)量沒有固定標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)具體需求決定。可先多加一兩個電容，暫時(shí)不需要的可以先不貼，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況選擇適合的容值。如果 PCB 主要工作頻率較低，加兩個電容通常就夠了，一個用于濾除紋波，一個濾除高頻信號；若會出現(xiàn)較大的瞬時(shí)電流，建議再增加一個較大的鉭電容。
3. 濾波方式：去耦與旁路：濾波電容的作用包括去耦和旁路。一般來說，數(shù)字電路中的去耦電容選擇 0.1uf 即可，適合于 10MHZ 以下的頻率；20MHz 以上的頻率需要 1 到 10uf 的電容來更好地去除高頻噪聲，具體可選擇 C = 1/f 來計(jì)算。旁路電容一般選擇較小的容值，根據(jù)諧振頻率，通常選擇 0.1uf 或 0.01uf。
4. 電容等效阻抗公式：無論電容被稱為旁路電容、去耦電容還是濾波電容，其原理都是利用電容對交流信號呈現(xiàn)低阻抗的特性。電容的等效阻抗公式為：
   
   在公式中，工作頻率 f 越高，電容值 C 越大，則電容的阻抗 Xcap 越小。在電路中，電容根據(jù)其主要作用有不同的稱呼：若為交流信號提供低阻抗通路，稱為旁路電容；若增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，稱為去耦電容；用于濾波電路中，則稱為濾波電容。此外，對于直流電壓，電容器還可作為電路的儲能元件，利用充放電起到類似電池的作用。

電容諧振頻率

1. 公式：電容在電路中的作用往往是多方面的，為簡化，本文將應(yīng)用于高速 PCB 設(shè)計(jì)中的電容統(tǒng)稱為旁路電容。電容基本功能是通交流、隔直流，理論上用于電源濾波的電容越大越好，但由于引線和 PCB 布線的影響，電容在交流信號下的等效電路是電阻、電感、電容的串聯(lián)，引出了諧振頻率的概念：
   
   電容的阻抗隨頻率變化的曲線呈 V 字型，阻抗最低點(diǎn)對應(yīng)的頻率是電容的諧振頻率。在諧振頻率點(diǎn)，電容表現(xiàn)的容抗最低，在 f0 點(diǎn)左側(cè)電容表現(xiàn)為容性，在 f0 右側(cè)電容表現(xiàn)為感性。濾波要選擇對應(yīng)紋波噪聲頻率處阻抗低的電容，這樣濾波效果好。
   
   
   
   
   
2. 封裝形式對應(yīng)諧振頻率參考：在諧振頻率以下，電容呈容性；在諧振頻率以上，電容呈感性。大電容一般用于低頻濾波，小電容用于濾高頻波。同樣容值的電容，SMT 封裝比 DIP 封裝的濾波頻率更高，在高速數(shù)字電路和射頻應(yīng)用中，SMT 電容器更受青睞。以下是一些電容值與其對應(yīng)的諧振頻率參考：
   
   
   
   
3. 從瓷片電容曲線可知，容量大的電容整體阻抗小，諧振頻率低，主要濾除頻率相對較低的紋波和噪聲；容量小的電容整體阻抗大，諧振頻率高，主要濾除頻率相對較高的紋波和噪聲。鋁電解電容的諧振頻率一般在 10kz 到 100khz 左右，主要濾除低頻的紋波和噪聲。所以對芯片電源濾波時(shí)，要根據(jù)實(shí)際紋波和噪聲的頻率選擇電容的容值。
   
   并聯(lián)電容的阻抗曲線，電容并聯(lián)后有兩個阻抗相對較低點(diǎn)，能增大濾除的紋波和噪聲的頻率范圍。多個同樣容值的電容并聯(lián)，雖不能改變電容并聯(lián)的諧振頻率，但能整體降低電容的阻抗，對濾除該諧振頻率附近的紋波和噪聲有作用。
   
   通常將一個大電容和一個小電容并聯(lián)，要求兩者的容值相差兩個數(shù)量級以上，可覆蓋更廣的濾波頻段。大電容濾除低頻段，小電容濾除高頻段，電容值與所需的頻率的平方成反比。
4. 自諧振頻率（SRF）：在實(shí)際設(shè)計(jì)中，確定電容的自諧振頻率（SRF）會有疑問。自諧振頻率（SRF）受電容值和電容引腳電感的影響，相同容值的不同封裝形式的 SRF 值可能不同?？刹榭雌骷?shù)據(jù)手冊獲取 SRF 值，例如 22pf 的 0402 電容其 SRF 值大約為 2GHz。
5. 評估電容效果：可通過軟件仿真和實(shí)際電路測試評估電容效果。使用仿真軟件檢查電容在電源濾波電路中的表現(xiàn)，確保在所需工作頻帶內(nèi)提供足夠的噪聲抑制。在實(shí)際電路中，如手機(jī)等設(shè)備的 LNA（低噪聲放大器）電源濾波中，良好的電源濾波能顯著改善接收靈敏度，可根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。
6. 總結(jié)：可以把電容想象成一個漏水的容器，交流電的峰值到來就像往容器里加水。高頻信號（頻繁加水）需要一個較小的容器（小電容）來保持水位穩(wěn)定；低頻信號（加水次數(shù)較少）則需要一個較大的容器（大電容）來減少因漏水導(dǎo)致的水位下降。通過合適的電容選擇，可以更好地維持電源的穩(wěn)定性和濾波效果。