我們知道電容器是一種能夠以電場形式存儲能量并以預定的時間和速率釋放能量的電氣設備。此外，電容器會阻止直流電通過交流電。

電容器的這兩個功能（或功能）都在旁路電容器中使用。

想象一下，您已經設計了一個不錯的運算放大器電路，并開始對其進行原型設計，但失望地發現該電路無法按預期工作或根本無法工作。造成這種情況的主要原因可能是來自電源或內部IC電路的噪聲，甚至來自相鄰IC的噪聲可能已耦合到電路中。

來自電源的噪聲（規則的尖峰脈沖）是不希望的，必須不惜一切代價消除。旁路電容器是防止電源上有害噪聲的第一道防線。

什么是旁路電容器？

通常在集成電路的VCC和GND引腳之間施加一個旁路電容器。旁路電容器消除了電源電壓尖峰的影響，并降低了電源噪聲。

使用“旁路電容器”這個名稱是因為它旁路了電源的高頻分量。它也被稱為去耦電容器，因為它可以將電路的一部分與另一部分解耦（通常，來自電源或其他IC的噪聲被分流，并且在電路的另一部分上的影響減小了）。

旁路電容器通常應用于電路的兩個位置：一個位于電源上，另一個位于每個有源設備（模擬或數字IC）上。

位于電源附近的旁路電容器通過存儲電荷并在必要時釋放電荷（通常在出現尖峰時）來消除電源中的電壓降。

來到IC的VCC和GND引腳附近放置的旁路電容器將能夠滿足開關電路（數字IC）的瞬時電流需求，因為寄生電阻和電感會延遲瞬時電流的傳遞。

旁路電容器如何消除電源噪聲？

要了解旁路電容器如何消除噪聲，您需要首先了解電容器在直流和交流下的工作方式。當電容器跨接在直流電源上時（例如示例中的電池），在電介質上會產生電場，導體之一上帶有正電荷，而另一導體上帶有負電荷。

電容器充電時，瞬態電流從電源中流出。但是，當電容器上的電荷達到最大值（由Q = CV確定）時，電容器導電板之間的電場會使電源的電場無效，并且不再有電荷流過電容器。

因此，在直流電路中，電容器充電至電源電壓并阻止任何電流流過該電容器。

當電容器跨時變交流電源連接時，由于充電和放電循環，電流流過的電阻很小或沒有電阻。

請記住，將旁路電容器跨接在電源上時，它為從電源到地的噪聲（本質上是交流信號）提供了一條低電阻路徑。因此，旁路電容器利用交流信號將電源旁路。

由于DC被電容器阻止，它將通過電路而不是通過電容器接地，這就是旁路電容使用的原因，該電容器也稱為去耦電容器。

旁路電容器注意事項

沒有旁路電容或旁路不當的電路會產生嚴重的電源干擾，并可能導致電路故障。因此，電路中必須使用適當的旁路電容。

以下是選擇旁路電容器時必須考慮的一些注意事項。

電容器種類

電容器放置

電容器尺寸

輸出負載效應

電容器種類

在高頻電路中，旁路電容器的引線電感是重要的因素。在>100MHz之類的高頻下切換時，電源軌上會產生高頻噪聲，并且電源中的這些諧波與高引線電感一起將導致電容器充當開路。

電容器在需要時提供必要的電流，以維持穩定的電源。因此，當從設備（集成電路）的內部噪聲中選擇用于旁路電源的電容器時，必須選擇低引線電感的電容器。

MLCC或多層陶瓷貼片電容器是旁路電源的首選。

電容器放置

旁路電容器的放置非常簡單。通常，旁路電容應盡可能靠近設備的電源引腳放置。如果距離增加，PCB上的多余粘性會轉化為串聯電感器和串聯電阻器，從而降低電容器的有用帶寬。

因此，電源引腳和旁路電容器之間較長的PCB走線會增加電感，并且會破壞首先引入旁路電容器的目的。

電容器尺寸

確定電容器的尺寸時，要考慮兩件事。

從低到高切換引腳時所需的電流量

最大脈沖擺率可計算電容器的最大電流

輸出負載效應

如果輸出負載是純電阻性的，則頻率不會影響輸出的上升和下降時間。但是，如果輸出負載是電容性的，則頻率的增加將導致更高的瞬態電流和電源振蕩。

旁路電容在電路設計中的應用

在哪里使用旁路電容器？

下圖顯示了分壓器偏置放大器的電路圖。電阻R1，R2，RC和RE有助于晶體管以Q點偏置在負載線的中間。電阻RE為Q點增加了穩定性。

輸入和輸出端分別有兩個耦合電容器C1和C2。C1將交流信號源耦合到晶體管的基極，而C2將放大信號耦合到負載。

但是討論的設備是旁路電容CE。由于交流信號的放大，發射極電流很大。如果沒有旁路電容，則大的交流發射極電流流經發射極電阻RE，RE兩端的交流壓降很大。

當RE兩端的電壓降減去Vin時，這將導致較小的交流基極電流。因此，輸出電壓降低，電壓增益急劇降低。

我們需要提供一個低阻抗路徑，以使交流發射極電流從發射極流到地，以防止電壓增益損失。這可以通過在發射極和地之間連接一個電容器來實現，該電容器可以用作旁路電容器，以旁路交流發射極電流。

幾乎所有的模擬和數字設備都使用旁路電容器。在這兩種器件中，旁路電容器（通常為0.1μF的電容器）都非常靠近電源引腳放置。電源也使用旁路電容器，它們通常是較大的10μF電容器。

旁路電容器的值取決于器件，在電源情況下，其值在10μF至100μF之間；在IC情況下，其值通常為0.1μF，或由工作頻率決定。

如果設備的帶寬約為1MHz，則使用1pF旁路電容。如果帶寬約為10MHz或更高，則使用0.1μF電容器。

在某些應用中，并聯的旁路電容器網絡用于過濾寬范圍的頻率。

電路中的每個有源器件都必須在電源引腳附近放置一個旁路電容器。如果有多個旁路電容器，則必須將較小容量的電容器放置在靠近設備的地方。

在模擬電路中，旁路電容器通常會將電源上的高頻分量定向到地面。否則，這些信號將通過電源引腳進入敏感的模擬IC。如果在模擬電路中未使用旁路電容器，則很有可能會將噪聲引入信號路徑。

在帶有微處理器和控制器的數字電路中，旁路電容器的使用略有不同。數字電路中旁路電容器的主要功能是充當電荷儲存器。

在邏輯門以高頻開關的數字電路中，在開關期間需要大電流。寄生電阻和電感將不允許開關過程中突然需要大電流。

因此，旁路放置在盡可能靠近電源引腳的位置，以減小寄生電感，它將在電源接通之前提供瞬時電流。

旁路電容器的應用

旁路電容器的主要目的是在通過所需的DC的同時分流電源的不良高頻分量。以下是旁路電容器的三個主要應用領域。

補償當前需求

需要時，使用旁路電容器提供必要的電流。例如，從放大器到揚聲器的驅動電流根據信號而變化，并且放大器輸出的電流需求取決于信號的強度。

輸出端的這種變化的電流導致從電源汲取的變化的電流。功率的這些變化會引起波動，該波動可能會通過電源作為噪聲耦合到信號線。

旁路電容器可以用作臨時電流源，有助于減少波動。

電源濾波器

在電源中，通常使用100μF或1000μF或更大的大型旁路電容器來過濾整流正弦波的紋波。

數字系統

在數字電路中，所有IC的VCC和GND引腳之間都使用一個旁路電容器。這有助于在IC的一定范圍內保持穩定的電源，并消除高頻信號進入電源。此外，它們還充當快速開關電路中的瞬時電流提供者。
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