去耦电容:一旦引入噪声并短路,电容上的直流会发生什么变化?

电器工程 噪音 低通 去耦电容 旁路电容
2022-01-13 17:36:25

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我已经使用去耦电容有一段时间了,我理解它们保持直流信号清洁的目的,因为电容器允许高频信号通过它进入地并且不会以直流形式出现在电容器上,所以它们不会干扰负载上的信号。

我一直想知道的是,如果从电源或外部源通过电容耦合将随机噪声尖峰引入系统,已经存储在电容器上的电荷会发生什么情况?如果电容器如原理图所示完全充电至 1v,然后它立即充当短路,将高频噪声旁路到地,负载上会出现短路吗?负载会在那一刻施加 0 伏电压吗?如果是这种情况,负载在电容器短路的那一纳秒内不会受到干扰吗?我只是很难准确理解电容器如何绕过充电并充当短路,同时仍保持其从直流电源中积累的电荷。

在学校里向我解释过,上限阻挡直流但通过交流,但我觉得这本身并不能很好地解释去耦。谢谢你的时间。

4个回答

电容器不会“短路”,它通过将能量存储为电荷来充电至恒定电压,如果外部因素试图改变电容器上的电压,则意味着需要或多或少的电荷来改变电容器电压上升或下降,移动电荷意味着电流流动。

简而言之,电容器希望保持其上的电压恒定,并通过与电流对抗来抵抗任何电压变化。因此,电压尖峰会衰减,因为电容器使用尖峰的能量来改变电荷,而电容越大,尖峰对电容器电压的影响就越小。

电容器的基本性质是存储的电荷 = 电容 x 电压: -

Q=CV

我们也知道电流是电荷随时间的变化率,因此,如果公式相对于时间微分,我们会得到:-

I=CdVdt

这个公式的影响是,如果注入电流,电容器的端电压将根据电流是正还是负而上升或下降。

如果将该电流施加到电阻器上,电压会发生阶跃变化,但对于电容器,会出现上升或下降,而不是端子电压的突然损失。

从不同的角度来看,如果对电容器施加电压斜坡,则将有恒定的电流流入和流出电容器。

除了试图抵消其端电压的变化之外,这些情况都没有暗示电容器会变成短路。不可能突然降到零伏,因为这意味着无限电流涌入电容器。

想象一下电容器就像一个匀速旋转的飞轮;任何试图加速或减速飞轮的动作都需要很大的扭矩,这只会导致速度的上升或下降,而不会突然将速度变为零。

电容器不会变成实际的短路。

当我们说电容器在高频下短路时,我们谈论的是电容器在施加正弦波电压时的阻抗。阻抗是电压除以电流(类似于电阻)。

ZC=VI=12πjfC

这是一个虚数,这意味着电流和电压是异相的。除此之外,阻抗与电阻非常相似。

假设您有一个 1uF 电容器和一个 1V (rms)、10kHz 正弦波。数学表明阻抗为 15.9 虚欧姆。因此电流为1V15.9Ω=0.063A. 现在计算 100kHz 的电流。电流是0.63A. 现在试试 10MHz。电流是63A. 电流很大!

当然,真正的短路会允许无穷大的安培流动。随着频率的增加,阻抗接近 0,电流接近无穷大。这就是“电容器就像高频短路”的意思。高频电压信号将导致大电流流动。(或者,等效地,高频电流信号只会产生很小的电压)

那么,如果您的信号由多个频率组成,会发生什么?电容器被称为线性元件,这意味着我们可以独立地分析每个频率。如果你有一个直流电压(0 Hz)和一个高频噪声电压,那么直流信号不会产生任何通过电容器的电流(阻抗是无限大的),但高频噪声电压会产生很大的高频噪声电流通过电容器,其作用是消除噪声电压。

如果随机噪声尖峰从电源或通过电容耦合从外部源引入系统,已经存储在电容器上的电荷会发生什么情况?

如果将噪声电源建模为具有输出阻抗“Z”的 DC + AC 噪声电压源,则更容易理解:

在此处输入图像描述

这在电源阻抗 Z 和电容器阻抗之间形成了一个简单的分压器Zc=12jπfC.

如果 C 是一个真正的电容器,它也会有一点串联电阻 (ESR) 和串联电感 (ESL)。

如果我们用一点串联阻抗来模拟噪声源,比如一些导线电感和电阻,并且电容具有 ESR 和 ESL,这又是一个简单的分压器,您可以使用通常的分压器方程来计算它(使用复杂的阻抗)。上图是 Vout/Vin 比,下图是电容器阻抗(红色)和噪声源(绿色):

在此处输入图像描述

理想电容器在直流时具有无限阻抗,在无限高频时具有零阻抗,因此您可以说它“阻断直流并短路交流”。但在现实生活中,它的阻抗在“AC”时永远不会为零,因为频率不是无限的。这将是Zc=12jπfC加上它的 ESR,加上2jπLf其电感的阻抗,这导致总阻抗在高频时上升。

已经存储在电容器上的电荷会怎样?

您可以使用分压器公式计算电容上的电压纹波,并且知道 q=Cv 您知道电荷会发生什么。它根据流过盖子的电流四处移动。