在一些應(yīng)用里會(huì)用到隔直電容，以把直流部分濾除掉，只通過(guò)交流。最常見(jiàn)的目的，可能就是濾除環(huán)境中無(wú)處不在的50Hz（或60Hz）工頻干擾，比如示波器的交流耦合。

還有一些應(yīng)用里，比如測(cè)脈沖信號(hào)的光電放大電路，平時(shí)可能會(huì)有一個(gè)直流電平，所以脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，它是疊加在直流電平之上。如果我們希望得到一個(gè)幅值比較大的脈沖信號(hào)，需要兩級(jí)放大，那么中間就會(huì)用到隔直電容，用于把直流電平濾除，只放大有用的脈沖信號(hào)。這是因?yàn)榉糯箅娐份敵龇秶怯邢薜模约?a href="http://www.3532n.com/tags/adc/" target="_blank">ADC輸入范圍有限。

圖1 隔直電容的用途之一，濾除掉直流偏置只放大有用的交流信號(hào)，因?yàn)?a target="_blank">電源范圍是有限的

那么用隔直電容時(shí)候需要注意什么呢 ？我想到了兩點(diǎn)：第一，放大脈沖信號(hào)時(shí)候需要注意，隔直電容可能會(huì)帶來(lái)的負(fù)脈沖即波形下沖問(wèn)題。第二，信號(hào)鏈的電容盡量選型NPO、COG，這樣失真較小。

仿真電路如圖2所示。輸入為脈沖信號(hào)，仿真看看它會(huì)出現(xiàn)啥問(wèn)題。輸入脈沖波形見(jiàn)圖3，仿真結(jié)果參見(jiàn)圖4，可以看到一個(gè)負(fù)脈沖，它是怎么回事呢？ 理解這個(gè)負(fù)脈沖的關(guān)鍵，就是要知道電容的特性，即電容的電壓不能突變 。電容存儲(chǔ)的能量公式為E=1/2CV^2，能量是不能突變的，所以電容電壓不能夠突變。就像環(huán)境溫度是不能突變的一樣，四季更迭總要有一個(gè)過(guò)度嘛。

根據(jù)KVL可以得到，V1=Vc1+Vout。脈沖信號(hào)升高到3V時(shí)候，Vout為正電壓，是沒(méi)有問(wèn)題的，此時(shí)電容兩端是有壓降的，Vc1=V1-Vout。脈沖信號(hào)降低到0V后會(huì)發(fā)生什么呢？由于前面介紹過(guò)的電容特性，它兩端電壓無(wú)法突變，Vc1不為零，所以這時(shí)候Vout就變成負(fù)的了。就像萬(wàn)用表測(cè)量電池兩極電壓，如果紅色表筆貼在負(fù)極，黑色表筆貼在正極，測(cè)量得到的電池電壓就是負(fù)的了。

圖2 隔直電容用于脈沖信號(hào)放大應(yīng)用的簡(jiǎn)略圖示（戴維南等效后基本就是這個(gè)樣子了），一般后面會(huì)接一個(gè)放大器

圖3 輸入的脈沖信號(hào)波形

圖4 圖2的仿真結(jié)果，可以看到一個(gè)負(fù)脈沖，它是怎么回事呢？

圖5 輸入輸出全部顯示

解決這個(gè)負(fù)脈沖，即所謂的波形下沖的辦法有兩個(gè)，第一是增加電容容值，第二是增加電阻阻值。關(guān)鍵都是要減小Vc1 ，參見(jiàn)圖2。從電路方程中可以定性知道原因，V1=Vc1+Vout，那么，Vc1=V1-Vout=V1-IR1=V1-C*dv/dt*R1——從公式中可以得到，當(dāng)C或者R越大的時(shí)候，Vc1是越小的。也就是負(fù)脈沖值越小了。

圖6 參見(jiàn)圖2，只是將R1從10K改為10M，負(fù)脈沖變得很小了

圖7 參見(jiàn)圖2，只是將C1從10p改為100n，負(fù)脈沖同樣變得很小了

解決這個(gè)負(fù)脈沖，那么到底怎么改更好呢，是一味增加容值，還是一味增加阻值呢？我覺(jué)得從失真角度考慮的話，最好滿足下沖需求情況下，是可以增加阻值到可以有NPO/COG型號(hào)電容可選的情況下，當(dāng)然電阻引入的熱噪聲又可以接受。

因?yàn)殡娮韬苄〉脑挘娙菥托枰艽蟛判辛恕D7為X7R電容特性，它的容值定義為在0V偏置電壓的電容量，當(dāng)施加在電容兩端電容變大后，它的容值會(huì)變小。圖8更直觀，電容容值跟隨兩端正弦波電壓變化趨勢(shì)，正弦波幅值越高，電容容值越小。而NPO/COG電容容值是很穩(wěn)定的。

圖8 X7R電容的特性

圖9 電容兩端施加正弦波，可以看到電容容值是在變化的

圖10 三星COG電容容值隨著電壓變化是很穩(wěn)定的

不過(guò)為了選型COG/NPO電容，為了滿足負(fù)脈沖幅值更小的需求，可能需要把電阻設(shè)置的非常大才行，因?yàn)镃OG/NPO電容容值都相對(duì)較小。而像10M電阻的熱噪聲是非常高的，達(dá)到了4uV/sqrt(Hz)——這是非常高的了，一般低噪聲運(yùn)放的電壓噪聲只有4nV/sqrt(Hz)，一萬(wàn)倍！所以如果選不到，只用普通的X7R電容也是可以的。看到一個(gè)TI的資料，建議將截止頻率點(diǎn)設(shè)置高一些，失真會(huì)非常小，參見(jiàn)圖9。

圖11 低失真的高通RC設(shè)置要點(diǎn)

最后總結(jié)一下，本文主要是整理了隔直電容用于測(cè)脈沖應(yīng)用時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)的負(fù)脈沖現(xiàn)象的原因和解決辦法。都是比較定性的去理解，我覺(jué)得這就夠了，配合仿真軟件是可以滿足需求的。從失真角度考慮，隔直電容選型一類陶瓷電容理論上當(dāng)然會(huì)更好，但一般這種類型電容可能容值不夠，參考TI的資料，選普通的陶瓷電容也不會(huì)遇到啥問(wèn)題，只要截止頻率低于實(shí)際應(yīng)用頻率的20倍就跟沒(méi)有隔直電容的效果是一樣的。不過(guò)ADC前端驅(qū)動(dòng)電路中的電容最好選一類陶瓷電容。失真部分是我在紙上談兵，實(shí)際沒(méi)測(cè)過(guò)失真，只是在資料里看到過(guò)。

徹底解決負(fù)脈沖即所謂的下沖問(wèn)題，只是簡(jiǎn)單的用電容是不行的，有一些文獻(xiàn)里介紹了相對(duì)復(fù)雜的電路。而這在一些應(yīng)用里是必須的。