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信号通过电容后的影响
来源:玩转单片机与嵌入式 发布时间:2022-09-15 分享至微信

我们经常见到信号中串有耦合电容，如下结构。


AC耦合电容的作用有：
隔离直流分量；
允许电容两端使用不同level的电压值；
防止热插拔时的瞬态电流；
协议要求，检测对端用；
等等...
这些不是我们的重点，下面我们来直观的看一下，信号通过电容后的影响；
对于一个没有AC耦合电容的100MHz信号波形如下：

此时1V摆幅的波形中含有1V的直流分量；
信号过了220nF AC耦合电容后：


此时，经过100nF耦合电容后，信号当中的1V直流分量没有了；
此时可以在电容后边加上其他level的电平：

这就是信号通过AC耦合电容后，隔去直流成分，以及达到收发芯片使用不同电平的效果；
接下来，我们看一下容值的选择：
电容的阻抗 Z=1/（2*pi*freq*C）
由此可见，当选择的电容过于小时，对于低频部分阻抗越大，下面直观观察波形：
发送端驱动一个上升跳变边沿，波形如下：

再次基础上，加上100nF的电容，波形如下：

此时，跳变信号经过100nF电容后，几乎没有变化，减小电容为10pF时，波形如下：

逐渐增加电容大小：

由仿真波形，可以直观的得出结论，电容容值越大，信号越可以顺利通过；
这里就是一个电容充电的时间常数问题，τ=RC
而电容的电流 I(t)=A*（e的-t/RC）
从公式中可以看出，通过电容的电流迅速升高，然后按照上述公式，程倒指数下降，而下降的速度和指数的幂有关，幂越大，下降的越快，而当幂当中的τ，也就是RC的值越小时，电容电流下降的越快，相反，当RC，也就是电容的值越大时，电容电流下降的越慢，如上图，当电容达到50nF时，几乎能保持相当的时间了，足够满足100Mhz以上的信号了。
电容的电流见下图：

可以看到，电容电流的形状和通过电容后的波形形状是一样的；
通过演示，可以很直观的了解信号通过电容后是什么样的；
看样子，电容要选大一点的；
当然也不是越大越好，原因之一就是，电容都不是理想电容，还有寄生电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)；
下面看一下在100nF的电容后面紧跟着一个10 mOhm的电阻，波形如下：

可以看到，波形几乎没有变化，由于计生电阻很小，没有构成影响；
继续串接一个0.4nH的电感，波形如下：

当前上身边沿为30ps，可见几乎也没有影响，下面来对比一下不同电感值的波形：

由此可见，当电感大了之后，信号的边沿会变缓，因为，电感阻高频，所以边沿中的高频成分有所衰减，但是电感要到几nH之后才会体现出这种影响，而一般几uF，几百nF的电容寄生电感大概为0.4~0.6左右（因厂家、封装而异），因此一般选择100nF、220nF的电容是比较合理的。
下面看一下电容容值和其寄生电感的值对频谱的衰减程度：

不同容值电容的衰减频谱

不同寄生电感的衰减频谱
可以看到，实际的电容相当于一个带通滤波器，而对于1nH的电棍，高频部分要到11GHz的频率才衰减到-3dB。
对于电容容值的选择，以及信号通过电容后的影响，我们已经非常清楚了；
当然电容不是越大越好的原因之二，就是电容大了之后封装也会大，从而PCB的焊盘也会大，这对信号的阻抗会造成较大影响，甚至会引起谐振，关于电容焊盘以及电容位置的影响，我们下期文章介绍。
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