硬件-电路设计-大电容+小电容

一：常见疑问

1.1 关于电容的常见术语

• 在电源滤波中，选择合适的电容至关重要，为什么常见电路中都是大电容和小电容搭配起来使用呢？
• 这个电路电容为什么要取这个值？
• 万能的滤波电容瓷片电容0.1uf?
• 怎么区分低频信号和高频信号，参考值是什么？
• 怎么区分大电容和小电容，参考值是什么？
• 电容作用：滤波、去耦、旁路、储能…

1.2 实际项目中的电容取值例子

• 1.下图电源3.3V电源滤波电容值有：0.1uf、1uf、10uf

• 2.图二电源

• BAT电源滤波电容值有：0.1uf（100nf）、100uf;
• +6V 电源端滤波电容值有:0.1uf、22uf。
  

二：电容理论知识

2.1 大电容特点

• 体积大：大电容通常具有较大的体积，并采用多层卷绕的结构，这样会导致较大的分布电感（也称为等效串联电感，ESL）。
• 高频性能差：由于电感对高频信号的阻抗较大，大电容在高频信号中的表现不佳。

2.2 小电容特点

• 体积小：小电容由于容量较小，可以做得更小，减少了引脚的长度，从而降低了ESL。小电容采用平板电容结构，这样子具有很好的高频性能。
• 低频性能差：虽然小电容对高频信号具有良好的滤波能力，但对于低频信号的阻抗较大。

2.3 实际组合使用的方案策略

• 为了有效滤除低频和高频信号，通常会将一个大电容与一个小电容并联使用；
• 大电容：主要用于滤除低频噪声，因为它对低频信号的阻=阻抗较低。
• 小电容：用于滤除高频噪声，因为它对高频信号的阻抗较低。常采用0.1uf瓷片电容在这种应用中表现良好。对于更高频率的信号，可以并联更小的电容，如几pf或几百pf的电容。

2.4 实际应用

• 在数字电路中，每个芯片的电源引脚上通常会并联一个0.1uf的电容到地，这种电容也被为去耦电容（或电源滤波电容），其目的是滤除高频信号。电容应该尽可能靠近芯片，以提高滤波效果。
• 下面是常见PCB布局，一个对一个错。对于电容，一连串电容在一起是原理图设计是为了方便，但实际PCBlayout要考虑作用，不能做无情的拉线工。

2.5 电容的阻抗特性

• 在理想情况下，电容的阻抗随频率的增加而降低 (Z=1/jwC).

然而，实际电容因引脚的分布电感效应而不是完全的理想电容。当频率超过电容的自谐振频率（SRF）时，电容的阻抗表现出电感特性，导致其在高频下的阻抗反而会增加。相反，电感也有类似的特性。

总之，大电容与小电容的组合可以有效地覆盖从低频到高频的信号范围，实现优良的电源滤波效果。大电容负责滤除低频干扰，小电容负责处理高频噪声，两者的搭配能够更全面地抑制电源干扰。

三：电容选型

3.1 如何选择滤波电容的容值

• 滤波电容的具体容值选择需要根据你的PCB主要工作频率以及可能对系统造成影响的谐波频率来决定。
• 可以查阅相关厂商提供的电容资料，或参考厂商提供的资料库软件，结合实际需求进行选择。

3.2 电容的数量

• 至于滤波电容的数量，并没有固定的标准，要根据具体需求来决定。多加一两个电容是可以的，暂时不需要的可以先不贴，根据实际调试情况再选择适合的容值。
• 如果你的PCB主要工作频率较低，加两个电容通常就够了，一个用于滤除纹波，一个滤除高频信号。如果会出现较大的瞬时电流，建议再增加一个较大的钽电容。

3.3 滤波方式：去耦与旁路

滤波电容的作用包含两个方面：去耦和旁路。

• 一般来说，数字电路中的去耦电容选择0.1uf即可，适合于10MHZ以下的频率；
• 20MHz以上的频率需要1到10uf的电容来更好地去除高频噪声，具体可以选择C=1/f来计算。
• 而旁路电容一般选择较小的容值，根据谐振频率，通常选择0.1uf或0.01uf。

3.4 电容等效阻抗公式

提到电容，各种各样的名称可能会让人困惑，例如旁路电容、去耦电容和滤波电容等等。其实，无论如何称呼，它们的原理都是相同的，都是利用电容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来理解：

• 

在公式中，工作频率f越高，电容值C越大，则电容的阻抗Xcap越小。
在电路中，电容的作用如下：

• 1、如果电容的主要作用是为交流信号提供低阻抗通路，那么它就被称为旁路电容；
• 2、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，那么它就被称为去耦电容；
• 3、如果用于滤波电路中，则称为滤波电容。
• 4、 此外，对于直流电压，电容器还可以作为电路的储能元件，利用充放电起到类似电池的作用。

四：电容谐振频率

4.1 公式

实际上，电容在电路中的作用往往是多方面的，因此不必过于纠结其具体定义。为了简化，在本文中，我们将所有应用于高速PCB设计中的电容统称为旁路电容。

• 电容的基本功能是通交流、隔直流，理论上讲，用于电源滤波的电容越大越好。
  然而，由于引线和PCB布线的影响，电容在交流信号下的等效电路是一个电阻、电感、电容的串联，这个电阻称为等效串联电阻ESR，电感称为等效串联电感ESL。
  实际电容表现为电感和电容的并联电路（电容本身的电阻有时候也不可忽略）。

• 这就引出了谐振频率的概念：
  
• 下图是电容的阻抗随频率变化的曲线，类似于一个V字型
  -阻抗最低点对应的频率是电容的谐振频率
  在谐振频率点，电容表现的容抗最低，在f0点左侧电容表现为容性，在f0右侧电容表现为感性。
• 滤波就是要选择对应纹波噪声频率处阻抗低的电容，这样在电容上产生的电压波动小，滤波效果也就好
  

4.2 封装形式对应谐振频率参考

• 在谐振频率以下，电容呈容性；
  在谐振频率以上，电容呈感性。因此，大电容一般用于低频滤波，小电容用于滤高频波。
• 这也解释了为什么同样容值的电容，SMT封装比DIP封装的滤波频率更高，同样容值的SMT封装电容器相比于DIP封装电容器，能够提供更好的高频噪声滤波效果。这也是为什么在高速数字电路和射频应用中，SMT电容器更受青睐的原因。

• 以下是一些电容值与其对应的谐振频率参考：
  
  

• 从上面瓷片电容曲线我们可以得出一个结论，容量大的电容整体阻抗小，谐振频率低，主要滤除频率相对较低的纹波和噪声；容量小的电容整体阻抗大，谐振频率高，主要滤除频率相对较高的纹波和噪声
• 从下面铝电解电容曲线我们可以知道，它的谐振频率一般在10kz到100khz左右，主要滤除低频的纹波和噪声，所以我们对芯片电源滤波时，需要根据实际纹波和噪声的频率来选择电容的容值，而不是一成不变的选择某个容量的容值。
• 

• 并联电容的阻抗曲线如下图所示
  
• 电容并联后的实际阻抗曲线如下图所示
  有两个阻抗相对较低点，这样能增大滤除的纹波和噪声的频率范围，如果是多个同样容值的电容并联，并不能改变电容并联的谐振频率，但是能整体降低电容的阻抗，就相当于多个电阻并联，等效电阻是减少的，对滤除该谐振频率附近的纹波和噪声也是有作用的。
  
  

不过，这些数据仅供参考。正如老工程师们所说，选择电容主要还是依靠经验。
更可靠的做法是将一个大电容和一个小电容并联，一般要求两者的容值相差两个数量级以上，这样子可以覆盖更广的滤波频段。

• 通常来说，大电容用来滤除低频段，小电容用来滤除高频段。电容值与所需的频率的平方成反比。

选择 合适的电源滤波电容并不复杂，只需要掌握一些基本的原则和方法。

理论上，理想的电容器阻抗随着频率的增加而减少（1/jwC)。然而，由于电容引脚的电感效应，电容器实际上表现为LC串联谐振电路，其自谐振频率（SRF）决定了电容在高频下的行为。当频率超过SRF时，电容会变成一个电感，从而大幅降低对高频干扰的抑制效果。因此，通常需要将一个较小的电容并联在地上，以补偿这个效果。

具体原因是，小电容的自谐振频率较高，对高频信号提供了更好的接地通路。因此，在电源滤波电路中，我们常常采用“大电容滤除低频，小电容滤除高频”的方法。这样做的根本原因在于不同电容的自谐振频率（SRF）值不同。

从这个角度考虑，也可以理解为何在电源滤波设计中，电容应尽可能靠近地线安装，以最大程度地提高滤波效果。

4.3 自谐振频率（SRF）

在实际设计中，确定电容的自谐振频率（SRF）可能会遇到一些疑问，例如如何查找SRF值，如何选择不同的SRF值的电容，以及是否使用一个还是多个电容。

• 1.自谐振频率（SRF）与电容值的关系
  自谐振频率（SRF）受到电容值和电容引脚电感的影响，因此相同容值的不同封装形式（如0402、0603或直插式电容）的SRF值可能不同。
• 2.如何获取SRF值
  查看器件数据手册，许多电容的SRF值可以在数据手册中找到。例如，22pf的0402电容其SRF值大约为2GHz。

4.4 评估电容效果

• 1.软件仿真
  使用仿真软件检查电容在电源滤波电路中的表现，确保它能在你所需的工作频带内提供足够的噪声抑制。如果仿真结果显示滤波效果良好，则可以继续进行实际电路测试。
• 2.实际电路测试
  在实际电路中，尤其是手机等设备的LNA（低噪声放大器）电源滤波中，良好的电源滤波能显著改善接收灵敏度，通常可以提高几个dB。实际测试可以仿真结果，并根据测试结果进一步优化电路设计。

4.5 总结

• 通俗比喻：可以把电容想象成一个漏水的容器，而交流电的峰值到来就像是往容器里加水。
• 1.如果容器漏水的速度是固定的，那么频繁加水时（高频信号）需要一个较小的容器（小电容），以保持水位稳定。
• 2.而在加水次数较少的情况下（低频信号），则需要一个较大的容器（大电容），以减少因漏水导致的水位下降。
• 3.这样，通过合适的电容选择，可以更好地维持电源的稳定性和滤波效果。

道友：独处，是我们认识自己最好的机会。你从热闹中失去的，会在孤独中找回来。