信號通過電容后的影響

2023/2/20 10:25:15??????點擊：

  我們經(jīng)常見到信號中串有耦合電容，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；
  防止熱插拔時的瞬態(tài)電流；
  協(xié)議要求，檢測對端用；
  等等...
  這些不是我們的重點，下面我們來直觀的看一下，信號通過電容后的影響；

  對于一個沒有AC耦合電容的100MHz信號波形如下：


       





  此時1V擺幅的波形中含有1V的直流分量；

  信號過了220nF AC耦合電容后：










  此時，經(jīng)過100nF耦合電容后，信號當(dāng)中的1V直流分量沒有了；

  此時可以在電容后邊加上其他level的電平：





 

  這就是信號通過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，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)選擇的電容過于小時，對于低頻部分阻抗越大，下面直觀觀察波形：
  發(fā)送端驅(qū)動一個上升跳變邊沿，波形如下：
 



  再次基礎(chǔ)上，加上100nF的電容，波形如下：
 



  此時，跳變信號經(jīng)過100nF電容后，幾乎沒有變化，減小電容為10pF時，波形如下：
 



  逐漸增加電容大?。?/span>
 






  由仿真波形，可以直觀的得出結(jié)論，電容容值越大，信號越可以順利通過；
  這里就是一個電容充電的時間常數(shù)問題，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，電容電流下降的越快，相反，當(dāng)RC，也就是電容的值越大時，電容電流下降的越慢，如上圖，當(dāng)電容達(dá)到50nF時，幾乎能保持相當(dāng)?shù)臅r間了，足夠滿足100Mhz以上的信號了。
  電容的電流見下圖：



  可以看到，電容電流的形狀和通過電容后的波形形狀是一樣的；
  通過演示，可以很直觀的了解信號通過電容后是什么樣的；
  看樣子，電容要選大一點的；
  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10 mOhm的電阻，波形如下：





 

  可以看到，波形幾乎沒有變化，由于計生電阻很小，沒有構(gòu)成影響；

  繼續(xù)串接一個0.4nH的電感，波形如下：






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



  由此可見，當(dāng)電感大了之后，信號的邊沿會變緩，因為，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之后才會體現(xiàn)出這種影響，而一般幾uF，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，實際的電容相當(dāng)于一個帶通濾波器，而對于1nH的電棍，高頻部分要到11GHz的頻率才衰減到-3dB。
  對于電容容值的選擇，以及信號通過電容后的影響，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大，從而PCB的焊盤也會大，這對信號的阻抗會造成較大影響，甚至?xí)鹬C振。