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去耦電路在電子產品中是應用最多的,幾乎所有的多級放大器、不管是分立器件或集成電路都需要去耦電路。去耦電路出了問題,會影響電路的正常工作。
從電路來說,總是存在驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大,驅動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作。這就是耦合。
什么是“去耦”電路呢?
去耦電路指的是在多級放大電路(集成電路芯片內部大多也是由各種多級放大電路組成)的供電電源端對地所加的旁路電容。其容量大可到幾十、上百微法,小也要O.1、0.01微法。加這個電容有什么作用呢?主要是防止來自直流電源內部的耦合使放大器自激,這也就是“去耦”這個名稱的含意。
去耦電容一般作如下作用:
1)旁路掉器件的高頻噪聲(在電源和地之間為高頻噪聲提供低阻抗通路)。一般而言,工作頻率越高,電容值越大,則電容的阻抗越小。
2)作IC的儲能電容,利用電容充放電原理提供和吸收該IC開門關門瞬間的充放電能。
在實際應用中,數字電路中典型的0.1uF去耦電容有5nH的分布電感,并行共振頻率約為7MHz(只對此頻率一下的噪聲有較好的去耦作用)。而1uF、10uF的電容,平行共振頻在20MHz以上,去除高頻噪聲的效果要好些。在電源進入印制板的地方放置一個1uF或10uF的高頻去耦電容往往是有利的,即使是電池供電的系統也需要這種電容。
去藕電容就是起到一個電池的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。
旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合電容一般比較大,是10u或者更大,依據電路中分布參數,以及驅動電流的變化大小來確定。
去耦和旁路都可以看作濾波。正如ppxp所說,去耦電容相當于電池,避免由于電流的突變而使電壓下降,相當于濾紋波。具體容值可以根據電流的大小、期望的紋波大小、作用時間的大小來計算。去耦電容一般都很大,對更高頻率的噪聲,基本無效。旁路電容就是針對高頻來的,也就是利用了電容的頻率阻抗特性。電容一般都可以看成一個RLC串聯模型。在某個頻率,會發生諧振,此時電容的阻抗就等于其ESR。如果看電容的頻率阻抗曲線圖,就會發現一般都是一個V形的曲線。具體曲線與電容的介質有關,所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質,一個比較保險的方法就是多并幾個電容。
去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數字電路中典型的去耦電容值是0.1μF。這個電容的分布電感的典型值是5μH。0.1μF的去耦電容有5μH的分布電感,它的并行共振頻率大約在7MHz左右,也就是說,對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。1μF、10μF的電容,并行共振頻率在20MHz以上,去除高頻噪聲的效果要好一些。每10片左右集成電路要加一片充放電電容,或1個蓄能電容,可選10μF左右。最好不用電解電容,電解電容是兩層薄膜卷起來的,這種卷起來的結構在高頻時表現為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。
耦合電感的去耦等效電路
(1)互感電壓用CCVS等效代替
耦合電感兩線圈的互感電壓各被另一線圈的電流所控制。故根據耦合電感元件的伏安關系,兩種基本的耦合電感模型,就可分別等效為圖(a),(b)所示的含CCVS電路。
圖1去耦電路
(2)單側聯接的去耦等效
單側同名端聯接和單側異明端聯接分別如下圖(a),(b)所示。根據耦合電感的伏安關系和KCL得到的去耦等效電路,分別如圖(c),(d)所示。
圖2去耦電路
去耦后,耦合電感就成了純電感,就可以用常規的向量法得到順利的分析。