电容在数字电路中的滤波作用「电容在数字电路中的滤波作用」

首先，我们讲一讲用电对象。这四个字已经很明白了，再区分一下，一般情况下，DC-DC BUCK出来的电，用于数字电路；LDO给模拟电路供电。我们本次主要说数字电路。数字电路要运行稳定可靠，电源一定要”干净“，并且能量补充一定要及时，也就是储能滤波去耦都要好。所以我们就自然而然地要提到电容。其实我们之前在“如何设计合适的DDR电源”中其实是提到了一点点。但是主角是电容的，今天才要细细说。

常见的原厂推荐的去耦电容，大部分是推荐uF 级用于干路，支路使用10-100nF。这其中的原理，我们今天把他搞明白。

芯片旁的电容，有去耦电容也有旁路电容。

直流电源Power给芯片IC供电时，在电源输出端并入的电容是旁路电容，在用电端口电路中并入了的电容是去耦电容。

1）旁路电容

如果Power受到了干扰，一般是频率比较高的干扰信号，可能使IC不能正常工作。在靠近Power处并联一个电容，因为电容对直流开路，对交流呈低阻态。频率较高的干扰信号通过电容回流到地，本来会经过电容的干扰信号通过电容抄近路流到了GND，这就是旁路电容的作用。

2）去耦电容

由于集成电路的工作频率一般比较高，IC启动瞬间或者切换工作频率时，会在供电导线上产生较大的电流波动，这种干扰信号直接反馈到Power会使其产生波动。在靠近IC的Vcc供电端口并联一个电容，因为电容有储能作用，可以给IC提供瞬时电流，减弱IC电流波动干扰对Power的影响。这里的电容起到了去耦电容的作用。

如右图1所示是电容的等效模型，esr是电容的串联等效电阻，ESL是电容的串联等效电感，电容阻抗和容抗计算公式分别如下：

图1

电感的感抗：Zl=ωL，ω=2πf

实际电容的复阻抗为：

Z=ESR jωL-1/jωC=ESR j2πf L-1/j2πf C

容抗与频率和电容值成反比，电容越大、频率越高则容抗越小。可以简单理解为电容越大，滤波效果越好。当频率很低的时候是电容起作用，而频率高到一定程度电感的作用就不可忽视了；再高的时候电感就起主导作用了，电容就失去滤波的作用了。当信号频率低于其自谐振频率时呈容性，当信号频率高于其自谐振频率时呈感性。当用0.1uF和0.01uF的两个电容并联靠近IC引脚的位置时，相当于拓宽了滤波频率范围。

图 2 不同容值的电容滤波范围

如图2是根据滤波频率范围的推荐电容，虽然不那么精确，但是也是最常用的类型。

通常情况下，并联两个电容就已经足够了，但对一些电路加上更多的并联电容效果可能会更好。

并联不同电容值的电容能确保在一个较宽的频率范围内都得到一个很低的交流阻抗。

在运放的电源抑制（PSR）能力下降的频率范围内，电源旁路尤其重要。电容能够补偿放大器PSR的下降。在很宽的频率范围内，这条低阻通路都能确保噪声不会进入芯片。

在较低的频率下，较大的电容能提供一条到地的低阻通路。一旦那些电容达到自谐振频率，其电容特性消失，转而变成具有电感特性的元件。这就是为什么使用多个电容并联的主要原因，它们能够在很宽的频率范围内保持一个较低的交流阻抗。

举个例子，有些滤波电路用3个电容并联，分别是电解电容、纸质电容、云母电容，分别滤除电源频率、音频和射频。并联后电容的esr也会小一点。

说完通常的做法，我们来具体分析一下，为什么会用电容总是0.1uF。

1、 IC输出稳定的时候，此事电容器的静电容量设置为Cp，把电源电压设定为Vcc，则电荷量Q1为：Q1=Cp*Vcc

2、为了使IC启动工作，进行了寄生电容充电（假设是200pF），远方的电源不能立刻，去耦电容中是去的电荷量Cp即是充电所需要的电荷量，电容电压下降△V。则此时的电荷Q2：Q2=Cp*（VCC-△V）

IC得到的电荷量Q3为：Q3=200*10-12 *（VCC-△V）

3、Q1=Q2 Q3

因此：

△V /Vcc = 200*10-12 / (200*10-12 Cp)

即可得到Cp的值，IC的工作电压一般从0.9V到5V不等，△V为电源电压的5%-20%不等，因此Cp 最小值为1000pF 左右。实际上考虑富余的话，则不止1nF 。

以上就是对于电源输出端和用电端的基础处理，用电容。要进行更要准确有效的处理，去除不需要的谐波，在直流电源中就是减小电流的脉动，使电流更平滑。则不得不提到滤波电路。主要是RC滤波和LC滤波。

π型滤波器包括两个电容器和一个或电阻，它的输入和输出都呈低阻抗。π型滤波有RC和LC两种，在输出电流不大的情况下用RC，R的取值不能太大，一般几个至几十欧姆，其优点是成本低。其缺点是电阻要消耗一些能量，效果不如LC电路。滤波电容取大一点效果也不错。LC电路里有一个电感，根据输出电流大小和频率高低选择电感量的大小。其缺点是电感体积大，笨重，价格高。

图 3 Π型滤波电路

先介绍LC型Π滤波电路：

图 4 LC Π型滤波电路的充放电环路

输入正脉冲时，先给C1充电，充电电流为ic1，迅速充到脉冲的峰值电压Vi，同时电感器L中也有线性增长的电流，并在L中储存了磁能，随着电流的增长，储存的磁能越来越多，电容器C2通过电感L也充上了电压，充电电流为ic2，C2和C1上的电压基本相等，负载RL中的电流IRL也是由输入脉冲供给。

输入脉冲消失后，负载RL的电流由两路提供，一路是C2放电提供的电流为-ic2，另一路是由电感L储存的磁能转换成电能，并与C1上的电压串联后提供-ic1。负载RL中的电流等于两个电容器放电电流的和，即IL= -(ic2 ic1)。

对直流而言：CLC型滤波器中的C1和C2， 相当于开路，而电感L对直流分量的感抗等于零，相当于短路，所以直流分量能顺利的通过电感L。

对交流而言：电容器的容量大，相当于将其短路，而电感对各种正弦波的感抗很大，所以交流分量过不去，或过去的很少。

CLC П型滤波器常用在脉幅式开关稳压电源，电容和电感值越大，滤波效果越好，输出直流电压高，最高能达到矩形波的峰值电压，适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。但是如果用在没有稳压电路的电源中，负载能力差。

接下来介绍RC型Π滤波电路：

图 5 RC型Π滤波电路

经整流输出的电压，首先经过C1电容器的滤波，将大部分交流成分滤除，经C1后的电压，再加到由RL和C2构成的RC滤波电路中，电容C2进一步对交流成分进行滤波。

C1小电容几乎不存在电感，它的容抗很小，这样高频干扰成分容易通过小电容C1滤波到地，对高频交流干扰滤波效果较好。而电容容量大(C2>C1)，流过C2的是低频交流成分，对低频交流干扰滤波效果较好，直流电压通过R输出。加大C2的容值可以提高滤波效果，因为C2容值大容抗小，因此对交流成分的衰减更大。

在这个电路中,R的阻值不能太大，要避免从R流出的直流电在R1处有过多的消耗。但是相较条件下，R大一些也可以分压衰减交流成分。

综上所述，电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故CRC只适用于负载电流较小的场合。

Π型滤波电路在整个板子的电源输入端口放置时，具有很明显的滤波效果。尤其是二级供电的设备，从一级设备取电时，能够很好的隔绝传输线路带来的噪声。

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