电容电感在射频电路的作用

电容

一、电容的应用：

（一）电容在电源上的主要用途：去耦、旁路和储能。
（二）电容的使用可以解决很多EMC问题。

二、电容分类：

（一）按材质分类：
1、铝质电解电容：
通常是在绝缘薄层之间以螺旋状绕缠金属箔而制成，这样可以在电位体积内得到较大的电容值，但也使得该部分的内部感抗增加。

2、钽电容：
由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成，其内部感抗低于铝电解电容。

3、陶瓷电容：
结构是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感抗，并且低于MHz的区域造成阻抗。

应用描述：
铝质电解电容和钽电解电容适用于低频终端，主要是存储器和低频滤波器领域。
在中频范围内（从KHz到MHz），陶质电容比较适合,常用于去耦电路和高频滤波.特殊的低损耗陶质电容和云母电容适合月甚高频应用和微波电路。

为了得到最好的EMC特性，电容具有低的ESR（等效串联电阻）值是很重要的，因为它会对信号造成大的衰减，特别是在应用频率接近电容谐振频率场合。

（二）按作用分类：
1、旁路电容:
电源的第一道抗噪防线是旁路电容。主要是通过产生AC旁路，消除不想要的RF能量，避免干扰敏感电路。
通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电，旁路电容消除了电源电压的波动。旁路电容为电源建立了一个对地低阻抗通道，在很宽频率范围内都可具有上述抗噪功能。 

要选择最合适的旁路电容，我们要先回答四个问题：
   （1）需要多大容值的旁路电容 
   （2）如何放置旁路电容以使其产生最大功效 
   （3）要使我们所设计的电路/系统要工作在最佳状态， 应选择何种类型的旁路电容？ 
   （4）隐含的第四个问题----所用旁路电容采用什么样的封装最合适？（这取决于电容大小、电路板空间以及所选电容的类型。） 其中第二个问题最容易回答，旁边电容应尽可能靠近每个芯片电源引脚来放置。距离电源引脚越远就等同于增加串联电感，这样会降低旁路电容的自谐振频率（使有效带宽降低）。

通常旁路电容的值都是依惯例或典型值来选取的。例如，常用的容值是1μF和0.1μF。简单的说，将大电容作为低频和大电流电路的旁路，而小电容作为高频旁路。

旁路电容主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路电容来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和胆电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求，一般在10至470μF范围内。若PCB板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。

2、去耦电容：
去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。主要是为器件提供信号状态在高速切换时所需要的瞬间电流，避免射频能量进入配电网络，为器件提供局部化的直流电压源。去耦电容一般都采用高速电容。
    
高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，阻抗Z＝i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足，这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因。（在vcc引脚上通常并联一个去藕电容，这样交流分量就从这个电容接地。）

有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容主要功能是提供一个局部的直流电源器件，以减少开关噪声在板上的传播和噪声引导到地。在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。实际上，旁路电容和去耦电容都应尽可能的靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100到1/1000。为了得到更好的EMC特性，去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块（IC），因为布线阻抗将减小去耦电容的效力。陶瓷电容常被用来去耦，其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如，对一个 33MHz的时钟信号，可使用4.7nF到100nF的电容；对一个100MHz时钟信号，可使用10nF的电容。选择去耦电容时，除了考虑电容值外，ESR值也会影响去耦能力。为了去耦，应该选择ESR值低于1欧姆的电容。
 
去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。
    
去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。

例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流， 形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下： 
（1）电源输入端跨接一个10～100uF 的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF 以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。 
（2）为每个集成电路芯片配置一个0.01uF 的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10 个芯片配置一个1～10uF 钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz 范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA 以下）。

例：10nF的去耦电容，在1GHz频率时的阻抗为多少？
Xc=1/ωc=1/2πf*c=1/2*3.14*1GHz*10nF=0.016Ω.
储能电容，主要用于保持器件DC电压和电流恒定。储能电容一般采用10uF的电解电容或钽电容。

3、滤波电容：
滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。

4、旁路电容和去耦电容的区别
旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。

高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大.

去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。

旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。

我们经常看到在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。

去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。 说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.

两者的区别：
从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。

去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。