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信號(hào)通過(guò)電容后的影響

我們經(jīng)常見到信號(hào)中串有耦合電容,如下結(jié)構(gòu)。 

AC耦合電容的作用有:隔離直流分量;允許電容兩端使用不同level的電壓值;防止熱插拔時(shí)的瞬態(tài)電流;協(xié)議要求,檢測(cè)對(duì)端用;等等...這些不是我們的重點(diǎn),下面我們來(lái)直觀的看一下,信號(hào)通過(guò)電容后的影響;對(duì)于一個(gè)沒(méi)有AC耦合電容的100MHz信號(hào)波形如下:

此時(shí)1V擺幅的波形中含有1V的直流分量;信號(hào)過(guò)了220nF AC耦合電容后:

此時(shí),經(jīng)過(guò)100nF耦合電容后,信號(hào)當(dāng)中的1V直流分量沒(méi)有了;此時(shí)可以在電容后邊加上其他level的電平:

 這就是信號(hào)通過(guò)AC耦合電容后,隔去直流成分,以及達(dá)到收發(fā)芯片使用不同電平的效果;接下來(lái),我們看一下容值的選擇:電容的阻抗 Z=1/(2*pi*freq*C)由此可見,當(dāng)選擇的電容過(guò)于小時(shí),對(duì)于低頻部分阻抗越大,下面直觀觀察波形:發(fā)送端驅(qū)動(dòng)一個(gè)上升跳變邊沿,波形如下: 

再次基礎(chǔ)上,加上100nF的電容,波形如下: 

此時(shí),跳變信號(hào)經(jīng)過(guò)100nF電容后,幾乎沒(méi)有變化,減小電容為10pF時(shí),波形如下: 

逐漸增加電容大小: 

由仿真波形,可以直觀的得出結(jié)論,電容容值越大,信號(hào)越可以順利通過(guò);這里就是一個(gè)電容充電的時(shí)間常數(shù)問(wèn)題,τ=RC而電容的電流 I(t)=A*(e的-t/RC)從公式中可以看出,通過(guò)電容的電流迅速升高,然后按照上述公式,程倒指數(shù)下降,而下降的速度和指數(shù)的冪有關(guān),冪越大,下降的越快,而當(dāng)冪當(dāng)中的τ,也就是RC的值越小時(shí),電容電流下降的越快,相反,當(dāng)RC,也就是電容的值越大時(shí),電容電流下降的越慢,如上圖,當(dāng)電容達(dá)到50nF時(shí),幾乎能保持相當(dāng)?shù)臅r(shí)間了,足夠滿足100Mhz以上的信號(hào)了。電容的電流見下圖: 

可以看到,電容電流的形狀和通過(guò)電容后的波形形狀是一樣的;通過(guò)演示,可以很直觀的了解信號(hào)通過(guò)電容后是什么樣的;看樣子,電容要選大一點(diǎn)的;當(dāng)然也不是越大越好,原因之一就是,電容都不是理想電容,還有寄生電感(ESL)和等效串聯(lián)電阻(ESR);下面看一下在100nF的電容后面緊跟著一個(gè)10 mOhm的電阻,波形如下:

可以看到,波形幾乎沒(méi)有變化,由于計(jì)生電阻很小,沒(méi)有構(gòu)成影響;繼續(xù)串接一個(gè)0.4nH的電感,波形如下:

 當(dāng)前上身邊沿為30ps,可見幾乎也沒(méi)有影響,下面來(lái)對(duì)比一下不同電感值的波形: 

由此可見,當(dāng)電感大了之后,信號(hào)的邊沿會(huì)變緩,因?yàn)?,電感阻高頻,所以邊沿中的高頻成分有所衰減,但是電感要到幾nH之后才會(huì)體現(xiàn)出這種影響,而一般幾u(yù)F,幾百nF的電容寄生電感大概為0.4~0.6左右(因廠家、封裝而異),因此一般選擇100nF、220nF的電容是比較合理的。下面看一下電容容值和其寄生電感的值對(duì)頻譜的衰減程度: 

不同容值電容的衰減頻譜 

不同寄生電感的衰減頻譜可以看到,實(shí)際的電容相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器,而對(duì)于1nH的電棍,高頻部分要到11GHz的頻率才衰減到-3dB。對(duì)于電容容值的選擇,以及信號(hào)通過(guò)電容后的影響,我們已經(jīng)非常清楚了;當(dāng)然電容不是越大越好的原因之二,就是電容大了之后封裝也會(huì)大,從而PCB的焊盤也會(huì)大,這對(duì)信號(hào)的阻抗會(huì)造成較大影響,甚至?xí)鹬C振,關(guān)于電容焊盤以及電容位置的影響,我們下期文章介紹。

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