电子设计技巧（五）——耦合与退耦，上拉与下拉

耦合与退耦

耦合：指信号从一级传输到二级的过程，通常指交流耦合。

解耦：是指通过电源相互干扰，对电源采取进一步的滤波措施，消除两级间信号的影响。耦合常数是指耦合电容值与二次输入阻抗值乘积对应的时间常数。

退耦有三个目的

去除电源中的高频纹波，通过电源串扰的通道切断多级放大器的高频信号。

当大信号工作时，电路对电源的需求增加，导致电源波动。当源波动对输入级/高压增益级的影响降低。

在复杂的系统中形成悬浮地或悬浮电源协调匹配各部分地线或电源有源设备在开关过程中产生的高频开关噪声将沿电源线传播。去耦电容器的主要功能是向有源设备提供局部直流电源，以减少开关噪声在板上的传播，并引导噪声到地。

干扰源产生的干扰信号通过一定的耦合通道对电气控制系统产生电磁干扰。干扰的耦合方法只不过是通过电线、空间、公共电线等作用在电气控制系统上。主要分析如下：

直接耦合
这是干扰入侵最直接的方式，也是系统中最常见的方式。例如，干扰信号通过导线直接侵入系统，对系统造成干扰。对于这种耦合，滤波器去耦可以有效地抑制电磁干扰信号的传输。

公共阻抗耦合
这也是一种常见的耦合方式。这通常发生在两个电路的电流中。公共阻抗耦合有两种：公共地点和电源阻抗。为了防止这种耦合，耦合阻抗应接近零，使干扰源和干扰对象之间没有公共阻抗。

电容耦合
又称电场耦合或静电耦合，是由分布电容的存在而产生的耦合方式。

电磁感应耦合
又称磁场耦合。它是一种由内部或外部空间电磁场感应引起的耦合方法。防止这种耦合的常用方法是屏蔽易受干扰的设备或电路。

辐射耦合
电磁场的辐射也会引起干扰耦合，这是一种不规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传输到系统中。此外，当信号传输线较长时，它们可以辐射干扰波并接收干扰波，称为大线效应。

漏电耦合
所谓漏电耦合，就是电阻耦合，经常发生在绝缘降低时。

电容的选择

去藕电容一般容量较大，即避免噪声耦合到其它部位；旁路电容小，提供低阻抗的噪声回流路径。事实上，这种说法也可以算是没有大错误的decouple和bypass从根本上说，没有区别，两者可以在标题上交换。两者的作用有点粗俗：当电源使用时。

所谓噪声实际上是电源的波动。电源波动来自两个方面：电源本身的波动、负载对电流需求变化和电源系统相应能力差异带来的电压波动。去莲藕和旁路电容器是由相对负载变化引起的噪声。因此，没有必要区分它们。

事实上，电容值的大小和数量也有理论依据。如果随意选择，在某些情况下可能会遇到去莲藕电容器（旁路）和分布参数的自激振荡。因此，真正意义上的去莲藕和旁路是基于负载和供电系统的实际情况。没有必要区分，也没有本质区别。

电容器是板卡设计中必不可少的部件，其质量已成为我们判断板卡质量的一个非常重要的方面。

电容器的功能和表示方法
它由两个金属极组成，中间夹有绝缘介质。电容器的特点主要是隔离循环交流，主要用于级间耦合、滤波、去耦、旁路和信号调谐。电容器在电路中使用C加数字表示，例如C8.电路中编号为8的电容表示。

电容的分类
根据介质的不同，电容器分为：气体介质电容器、液体介质电容器、无机固体介质电容器、有机固体介质电容器和电解电容器。按极性分为：极性电容器和无极性电容器。按结构可分为：固定电容器、可变电容器、微调电容器。

电容的容量
电容表示储存电能的大小。电容对交流信号的阻碍称为容抗，它与交流信号的频率和容量有关。XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容)。

电容的容量单位和耐压性
电容的基本单位是F(法)其他单位也有:毫法(mF)、微法(uF)、纳法(nF)、皮法(pF)。由于单位F 容量太大，所以我们通常看到μF、nF、pF的单位。换算关系：1F=1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。 每个电容器都有其耐压值，用V表示。一般无极电容的标称耐压值较高:63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。极电容的耐压性相对较低，标称耐压值一般为：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。

电容的标记方法和容量误差

电容器的标法分为：直标法、色标法和数标法。直标法主要用于体积较大的电容器。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，这意味着5nF。

数标法：一般用三位数表示容量大小，前两位表示有效数，第三位数为10次。如：102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示20x10x10x10 PF。nn色标法，沿着电容引线的方向，用不同的颜色表示不同的数字，第一个和第二个环表示电容，第三个颜色表示有效数字后的零(单位为pF)。颜色代表的值为：黑色=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。

符号用于电容误差F、G、J、K、L、M表示允许误差分别对应±1%、±2%、±5%、±10%、±15%、±20%。

标记在电容器上的黑块为负极。在PCB上电容位置有两个半圆，涂色半圆对应的引脚为负极。也有用引脚长短来区分正负长脚为正，短脚为负。 当我们不知道电容器的正负极时，我们可以用万用表来测量。电容两极之间的介质不是绝对绝缘体，其电阻不是无限的，而是一个有限的值，一般在1000兆欧以上。电容两极之间的电阻称为绝缘电阻或漏电电阻。只有当电解电容器的正极连接电源为正(电阻时的黑表笔)，负端连接电源为负(电阻时的红表笔)时，电解电容器的泄漏电流较小(泄漏电阻较大)。相反，电解电容的漏电流增加(漏电阻降低)。

这样，我们首先假设某很 极，万用表选择R*100或R*1K挡住，然后假设 极端与万用表的黑色表笔相连，另一个电极与万用表的红色表笔相连写下表针停止的刻度（表针左阻值大），可以直接读取数字万用表的读数。然后放电电容器(触摸两个引线)，然后对调两个表笔，重新测量。在两次测量中，当表针最终停留在左侧(或电阻值大)时，黑表笔连接电解电容的正极。

当线路的极性无法在电路中确定时，建议使用无极电解电容。电解电容的纹波电流不得超过其充电范围。超过规定值的，应选择耐大纹波电流的电容。电容器的工作电压不得超过其额定电压。焊接电容时，电烙铁应与电容塑料外壳保持一定距离，防止塑料套管过热破裂。焊接时间不得超过10秒，焊接温度不得超过260摄氏度。

四个误区

容量越大越好：很多人在更换电容时往往喜欢使用大容量的电容。我们知道，虽然电容越大，但为了IC电流补偿能力越强。且不说电容容量的增大带来的体积变大，增加成本的同时还影响空气流动和散热。关键是电容器上有寄生电感，电容器放电电路在某个频点会谐振。在谐振点，电容阻抗小。因此，放电电路阻抗最小，能量补充效果最好。但当频率超过谐振点时，放电电路的阻抗开始增加，电容提供电流的能力开始下降。电容值越大，谐振频率越低，有效补偿电流的频率范围越小。从保证电容器提供高频电流的能力来看，电容器越大越好是错误的，一般电路设计都有参考值。

并联容量相同的电容越小，耐压值、耐温值、容量值越好ESR(等效电阻)是电容器的几个重要参数ESR越低越好。ESR与容量、频率、电压、温度等有关。当电压固定时，容量越大，ESR越低。在板卡计中使用多个小电容，并且大多数都是出来的PCB有些人认为空间的限制，并联电阻越多，ESR效果越低越好。理论上是如此，但是要考虑到电容接脚焊点的阻抗，采用多个小电容并联，效果并不一定突出

ESR效果越低越好。结合上述提高的供电电路，输入电容的容量对输入电容要大一些。相对容量的要求对ESR可适当降低要求。因为输入电容器主要是耐压，其次是吸收MOSFET开关脉冲。对于输出电容，可以适当降低耐压要求和容量。ESR要求稍高，因为这里要保证有足够的电流通过。但这里要注意的是ESR越低越好，越低ESR电容会引起开关电路振荡。复杂的消振电路会导致成本增加。在板卡设计中，这里一般有一个参考值，作为元件选择参数，避免消振电路造成成本增加。

好的电容代表高质量。唯电容论曾经盛极一时，一些厂商和媒体也刻意把这件事做成卖点。电路设计水平是板卡设计的关键。和一些制造商可以使用两相供电来制造比一些制造商使用四相供电更稳定的产品，盲目地使用高价电容器，可能无法制造好的产品。要衡量一个产品，我们必须从面、多角度地考虑它。我们不能有意或无意地夸大电容器的功能。

?当TTL电路驱动COMS如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路最低电平(一般为3.5V)，需要在这个时候TTL为了提高输出高电平值，输出端连接上拉电阻。

?OC使用前必须增加拉电阻。

•为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

 

•在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。

 

•芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

 

•提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

 

•长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。

 

上拉电阻阻值的选择原则

从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

 

从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。

 

对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。综合考虑。

 

以上三点,通常在1k到10k之间选取，对下拉电阻也有类似道理。　　

对上拉电阻和下拉电阻的选择应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定，主要需要考虑以下几个因素：

驱动能力与功耗的平衡

以上拉电阻为例，一般地说，上拉电阻越小，驱动能力越强，但功耗越大，设计是应注意两者之间的均衡。

下级电路的驱动需求
同样以上拉电阻为例，当输出高电平时，开关管断开，上拉电阻应适当选择以能够向下级电路提供足够的电流。

高低电平的设定
不同电路的高低电平的门槛电平会有不同，电阻应适当设定以确保能输出正确的电平。以上拉电阻为例，当输出低电平时，开关管导通，上拉电阻和开关管导通电阻分压值应确保在零电平门槛之下。

频率特性以上拉电阻为例，上拉电阻和开关管漏源级之间的电容和下级电路之间的输入电容会形成RC延迟，电阻越大，延迟越大。上拉电阻的设定应考虑电路在这方面的需求。

下拉电阻的设定的原则和上拉电阻是一样的。　

OC门输出高电平时是一个高阻态，其上拉电流要由上拉电阻来提供，设输入端每端口不大于100uA，设输出口驱动电流约500uA，标准工作电压是5V，输入口的高低电平门限为0.8V(低于此值为低电平)，2V(高电平门限值)。
 

选上拉电阻时：500uA x 8.4K= 4.2即选大于8.4K时输出端能下拉至0.8V以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。如果输出口驱动电流较大，则阻值可减小，保证下拉时能低于0.8V即可。

 

当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口需200uA，200uA x15K=3V即上拉电阻压降为3V，输出口可达到2V，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2V了。选10K可用。

 

设计时管子的漏电流不可忽略，IO口实际电流在不同电平下也是不同的，上述仅仅是原理，一句话概括为：输出高电平时要喂饱后面的输入口，输出低电平不要把输出口喂撑了(否则多余的电流喂给了级联的输入口，高于低电平门限值就不可靠了)。