旁路电容、滤波电容、去耦电容的作用与应用原理详解
时间：2023-01-02 21:30:00
详细说明了旁路电容、滤波电容和去耦电容的功能和应用原理
详细说明旁路电容的功能和应用原理
关键字：bypass(3)滤波电容(18)旁路电容(4)
在基本电路中，我想讨论旁路电容器。本文将讲述旁路电容器的作用，什么时候使用，你应该注意什么\以及旁路电容的作用。
旁路电容的定义可以在电子电路词典中找到：
Bypass capacitor： A capacitor employed to conduct an alternaTIng current around a component or group of components. Often the AC is removed from an AC/DC mixture， the DC being free to pass through the bypassed component.
旁路电容（bypass电容器):一种用于导通或吸收某一组件或某一组件中交流组件的电容器。通常，交流直流中的交流部分被删除，允许直流部分通过添加旁路电容器的部件。
事实上，微控制器（单片机）等数字电路大多是直流电路。这种电路中电压水平的变化会导致许多问题。如果电压变化过大，电路可能会异常工作。在大多数情况下，纹波电压被认为是交流成分，旁路电容的目的是抑制交流成分和电压噪声。旁路电容的另一种说法是滤波电容。
在左边的电路图中，您可以清楚地看到使用滤波器电容器后电压噪声的变化。两种电压的波动幅度差别很小(5-10毫伏)。图中的电压为4.95~5.05V小幅电压。随机电子噪声引起电压波动，如图所示，通常称为噪声或纹波。蓝线代表未使用滤波电容器的电压变化，粉色线使用滤波电容器。几乎所有的直流电路都存在纹波电压。在粉色曲线中，即使使用滤波电容器后电压变化幅度变小，变化仍然存在，电压仍然有纹波噪声。旁路电容的重要功能是降低电路中纹波的振幅。过大的纹波极其有害，使电路工作异常。纹波通常是随机的。当然，有时电路中的其他部件会发出噪音。比如继电器和电机经常就能够使电压发生突然的波动，简直就像打破了池塘里面平静的水面一样。其它部件使用的电流越大，纹波噪声的效果就越明显。
这种小纹波真的值得注意吗？是的，电压水平不够准确吗？答案取决于你设计的电路类型。如果你的电路只是用来连接电机或点亮电池LED，所以电路里的纹波对你来说可能并不重要。然而，如果你使用数字逻辑门电路，情况可能就不那么简单了。纹波肯定会给你的电路带来麻烦。
首先，让我们考虑一下纹波电压的影响。基本的电子理论告诉我们，电压是由势能差异引起的，电流通过这种势能差异；我们知道电压越高，电流越大；我们也知道电压的方向决定了电流的方向。
看右边的纹波电压图和放大图。以上部分是两个纹波电压的变化，类似于前一张图。蓝线代表不使用旁路电容器，另一是使用旁路电容。 沿图下的横轴，点2的电压开始上升，看下面的纹波电流图，点2的电流在一个方向上有相对较高的振幅值。相比之下，点5的电压和电流的方向是相反的。
注意是否有旁路电容器（bypass电容器)的区别。旁路电容器也通过抑制纹波电压抑制纹波电流。我想说的是，纹波电压图和纹波电流图清楚地表达了交流成分的产生，也可以看到电压是如何变化的，以及纹波电流是如何改变方向的。即使是这样DC电路，纹波也会导致交流成分。旁路电容可以减少AC组分。
纹波电流就像电路中的涡流或回流。随着电路中电压和电流的传播，电压和电流的差异足以工作。例如，我们假设一个半导体门输入端保持稳定输入，使输出保持稳定，门电路沿一个方向流动PN工作结束时，如果电流停止流动，晶体管将关闭或关闭；如果线波朝相反的错误方向流动，门经常关闭，你得到的输出也会改变。一扇门可能与许多其他门相连，造成严重错误。
总之，旁路电容是用来的DC抑制电路内部AC成分电容器。使用旁路电容器，您的DC电路不会像纹波电压和纹波电流那样感冒。
使用旁路电容器（bypass电容)注意事项
你在许多期刊、杂志和书籍中看到的电路图都省略了旁路电容器。因为他们认为你知道如何将它们添加到电路中。其他时候，你可能会看到一排电容器藏在电路图的角落里，似乎没有效果。它们通常是旁路电容器（或滤波器）。只要你打开一个数字电路，就不难找到旁路电容器。
旁路电容最常见（bypass电容)的身影是直接连接电源和地面的旁路电容。正如左图所示。这种简单的使用可以允许VCC里头的AC成分直接导向地GND。当电压因某种原因下降时，电容的作用就像蓄流一样 充电电容溢出部分电流填充VCC坑坑洼洼的地方。电容量的大小决定了它能填充多少坑洞(电压降)，电容量越大，能填充抚平的坑洞就越大。通常使用 .1uF的电容。你也能看到 .01uF也是常见的电容值。追求旁路电容的精确值毫无意义。
那你到底需要多少旁路电容呢？我最愚蠢的方法是在每个电路板上IC旁边有自己的旁路电容。事实上，我试图将旁路电容的一端和Vcc或者GND将引脚连接在一起。这可能有点矫枉过正，可是过去的这种做法一直都还感觉不错。所以我也向你推荐这种方法。事实上，你甚至可以拥有一切DIP旁路电容用于封装旁边。我觉得只要你每平方英寸都有几个旁路电容，你就能省心很多！
另一个使用旁路电容（bypass电容器)位于电源接头处。每当你用电源线连接板或长导线时，我建议你添加一个旁路电容器。任何长度的导线都可以像一个小天线，它可以从任何电磁场捕捉到电子噪音。我通常在这条长线的两端添加旁路电容器。
旁路电容器的类型尤为重要。建议使用独石瓷片电容器。它们体积小，便宜，容易买到。我通常用它
管脚间距为.1英寸或者.2英寸，容量 0.1uF 耐压50V精度为±旁路电容20%；容量为.01uF没关系。我会避免使用大容量的旁路电容器，因为它们太大了。电解电容器通常不适合作为旁路电容器，因为它们通常容量大，对高频响应不理想。
电容可以决定纹波的频率。最聪明的方法是频率越高，旁路电容量越小。假如你的电路里面 有一个高频元件，你可以考虑并联使用一对电容器，一个是大容量，一个是小容量。假如您的电路中的头纹波非常复杂，您可以添加更多的旁路电容，每个电容对应不同的纹波频率。你也可以加一个ElectrolyTIc capacitor防止低频纹波振幅过大。例如，右图中并联使用了三个不同容量的电容器，每个电容器都对频率范围内的纹波噪声起作用。C4是一个4.7uF能处理相对低频电压纹波的电容，C可处理中等频率，C电容器的响应频率由其内部阻抗和感抗决定。
总结
旁路电容（bypass电容器)可以过滤电路中的电子噪声，过滤由纹波电压引起的交流成分 。大多数数字电路都有几个旁路电容器。最聪明的方法是在板上的每个集成电路旁边使用旁路电容器。旁路电容器的常用容量级为0.1uF。高频纹波需要容量较小的电容。
http://www.elecfans.com/yuanqijian/dianrongqi/20160919436337.html
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电容滤波的原理和功能
简介：常用的滤波电路有两类：无源滤波和有源滤波。本文详细介绍了电容滤波的工作原理及其作用。
简单地说，滤波电容器的作用是使滤波器后的输出电压为稳定的直流电压。其工作原理是当整流电压高于电容电压时，当整流电压低于电容电压时，输出电压基本稳定。
滤波电容容量大，因此一般采用接线时注意电解电容器的正负极。电容滤波电路利用电容器的充放电作用，使输出电压平稳。
★当u2.正半周，值大于电容器两端的电压uC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止日期，电流一路流经负载电阻RL，另一路充电电容C。uC>u2，导致D1和D电容器通过负载电阻R放电，uC按指数规律慢慢下降。
★当u2.负半周幅值的变化正好大于uC时，D2和D4由于正向电压变为导通状态，u二次给C充电，uC上升到u2峰值后开始下降；当下降到一定值时D2和D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降;放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。
RL、C对充放电的影响：
电容充电时间常数为rDC，因为二极管rD充电时间常数小，充电速度快；RLC因为放电时间常数，RL放电时间常数大于充电时间常数，因此滤波效果取决于放电时间常数。电容C越大，负载电阻越大RL滤波后输出电压越大，平均值越大，如图所示。
整流电路是将交流电转化为直流电的电路，但其输出的直流电脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01.因此，整流输出的电压必须采取一定措施.尽量减少输出电压中的脉动成分，尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近理想的直流电源，即直流电源中的滤波电。
常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、 LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤等)有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。
直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。
脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O.67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1)。(T为整流输出的直流脉动电压的周期。)
RC-π型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图1虚线框即为加的一级RC滤波电路。若用S'表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R')S'。
由分析可知，在ω值一定的情况下，R愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。
为了解决这个矛盾，于是常常采用有源滤波电路，也被称作电子滤波器。电路如图2。它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件--晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。由图2可知，流过R的电流IR=IE(1+β)=IR(1+β)。流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β).所以可以采用较大的R，与C2配合以获得较好的滤波效果，以使C2两端的电压的脉动成分减小，输出电压和C2两端的电压基本相等，因此输出电压的脉动成分也得到了削减。
从RL负载电阻两端看，基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路，相当于R减小了(1+β)倍，而C2增大了(1+β)倍。这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1/β，比如晶体管的直流放大系数β=50，如果用一般RCπ滤波器所需电容容量为1000μF，如采用电子滤波器，那么电容只需要20μF就满足要求了。采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果，因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。
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在担任应用工程师之前，我是 IC 测试开发工程师。我的项目之一是对 I2C 温度传感器进行特性描述。在编写一些软件之后，我手工焊接了一个原型设计电路板。由于时间仓促，我省去了比较麻烦的 去耦电容器 。谁会需要它呢，对吧？
我收集数据大概有一个星期了，但获得的任何结果都无法与预期结果相匹配。于是我做了大量更改，试图提升性能，但都没有效果。最后，我决定添加一个去耦电容器，不出所料，问题解决了。
这让我不禁思考，会不会总是需要使用去耦电容器？它的作用到底是什么？
要回答这个问题，需要考证在不使用去耦器件时会出现什么问题。
图 1 为带去耦电容器和不带去耦电容器（C1 和C2）情况下用于驱动 R-C 负载的缓冲电路。我们注意到，在不使用去耦电容器的情况下，电路的输出信号包含高频 (3.8MHz) 振荡。对于没有去耦电容器的放大器而言，通常会出现稳定性低、瞬态响应差、启动出现故障以及其它多种异常问题。
图 1：采用去耦和不采用去耦的缓冲电路（测量结果）
图 2 阐述了为什么去耦非常重要。需要注意的是，电源线迹的电感将限制暂态电流。
去耦电容与器件非常接近，因此电流路径的电感很小。在暂态过程中，该电容器可在非常短的时间内向器件提供超大量的电流。
未采用去耦电容的器件无法提供暂态电流，因此放大器的内部节点会下垂（通常称为干扰）。无去耦电容的器件其内部电源干扰会导致器件工作不连续，原因是内部节点未获得正确的偏置。
图 2：带去耦合和不带去耦合情况下的电流
除了使用去耦电容器外，您还要在去耦电容器、电源和接地端之间采取较短的低阻抗连接。
图 3 将良好的去耦合板面布局与糟糕的布局进行了对比。您应始终尝试着让去耦合连接保持较短的距离，同时避免在去耦合路径中出现通孔，原因是通孔会增加电感。大部分产品说明书都会给出去耦合电容器的推荐值。如果没有给出，则可以使用 0.1uF。
图 3：良好与糟糕 PCB 板面布局的对比
正确连接去耦电容器会给您省去很多麻烦。即便在试验台上不使用去耦合电路也能工作得很好，但若进入量产阶段时再因工艺变化和其他实际因素的影响，您的产品可能就会出现这样或那样的问题。
吸取我的教训吧，别掉进不使用去耦合的陷阱里！
正确连接去耦电容器会给您省去很多麻烦。即便在试验台上不使用去耦合电路也能工作得很好，但若进入量产阶段时再因工艺变化和其他实际因素的影响，您的产品可能就会出现这样或那样的问题。
吸取我的教训吧，别掉进不使用去耦合的陷阱里！
特别感谢我的同事 Ichiro Itoi 和 Tim Green，是他们帮助我找
出去耦合问题并获得实际的测量结果。
阅读原文, 请参见 http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisiondesignshub/archive/2013/08/13/the-decoupling-capacitor-is-it-really-necessary.aspx
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。
德州仪器工程师Art Kay为我们深入浅出并运用了实际的测量结果分析了去耦电容的作用，以及没有去耦电容会出现故障以及其它多种异常问题，提示工程师们吸取教训，别掉进不使用去耦合的陷阱里！
ps：
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。
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。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。
去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电池，避免由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大，对更高频率的噪声，基本无效。旁路电容就是针对高频来的，也就是利用了电容的频率阻抗特性。电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率，会发生谐振，此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图，就会发现一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还要考虑电容的介质，一个比较保险的方法就是多并几个电容。
相关作用
去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的分布电感的典型值是5μH。0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10μF左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。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。
