耦合與退耦

 

什麼是耦合電容？什麼是去耦電路
？

 

耦合指信號由第一級向第二級傳遞的過程
，一般不加注明時往往是指交流耦合。

 

退(tui)耦(ou)是(shi)指(zhi)對(dui)電(dian)源(yuan)采(cai)取(qu)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)濾(lv)波(bo)措(cuo)施(shi)，去(qu)除(chu)兩(liang)級(ji)間(jian)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)電(dian)源(yuan)互(hu)相(xiang)幹(gan)擾(rao)的(de)影(ying)響(xiang)。耦(ou)合(he)常(chang)數(shu)是(shi)指(zhi)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)值(zhi)與(yu)第(di)二(er)級(ji)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)值(zhi)乘(cheng)積(ji)對(dui)應(ying)的(de)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)。

 

退耦有三個目的：

 

1.將電源中的高頻紋波去除，將多級放大器的高頻信號通過電源相互串擾的通路切斷。

 

2.大信號工作時
，電路對電源需求加大
，引起電源波動，通過退耦降低大信號時電源波動對輸入級/高電壓增益級的影響；

 

3.形成懸浮地或是懸浮電源
，在複雜的係 統中完成各部分地線或是電源的協調匹 有源器件在開關shichanshengdegaopinkaiguanzaoshengjiangyanzhedianyuanxianchuanbo。quoudianrongdezhuyaogongnengjiushitigongyigejubudezhiliudianyuangeiyouyuanqijian，yijianshaokaiguanzaoshengzaibanshangdechuanbohejiangzaoshengyindaodaodi。 

 

摘引自倫德全《電路板級的電磁兼容設計》一文，該論文對噪聲耦和路徑、去耦電容和旁路電容的使用都講得不錯。請參閱。 

 

幹擾的耦合方式 

 

幹擾源產生的幹擾信號是通過一定的耦合通道對電控係統發生電磁幹擾作用的。幹擾的耦合方式無非是通過導線、空間
、公共線等作用在電控係統上。

 

分析下來主要有以下幾種。

 

直接耦合：這(zhe)是(shi)幹(gan)擾(rao)侵(qin)入(ru)最(zui)直(zhi)接(jie)的(de)方(fang)式(shi)，也(ye)是(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)存(cun)在(zai)最(zui)普(pu)遍(bian)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)式(shi)。如(ru)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)導(dao)線(xian)直(zhi)接(jie)侵(qin)入(ru)係(xi)統(tong)而(er)造(zao)成(cheng)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)幹(gan)擾(rao)。對(dui)這(zhe)種(zhong)耦(ou)合(he)方(fang)式(shi)，可(ke)采(cai)用(yong)濾(lv)波(bo)去(qu)耦(ou)的(de)方(fang)法(fa)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)入(ru)。 

 

公共阻抗耦合：這zhe也ye是shi常chang見jian的de一yi種zhong耦ou合he方fang式shi。常chang發fa生sheng在zai兩liang個ge電dian路lu的de電dian流liu有you共gong同tong通tong路lu的de情qing況kuang。公gong共gong阻zu抗kang耦ou合he有you公gong共gong地di和he電dian源yuan阻zu抗kang兩liang種zhong。防fang止zhi這zhe種zhong耦ou合he應ying使shi耦ou合he阻zu抗kang趨qu近jin於yu零ling、使幹擾源和被幹擾對象間沒有公共阻抗。 

 

電容耦合：又稱電場耦合或靜電耦合，是由於分布電容的存在而產生的一種耦合方式。 

 

電磁感應耦合：又稱磁場耦合。是由於內部或外部空間電磁場感應的一種耦合方式，防止這種耦合的常用方法是對容易受幹擾的器件或電路加以屏蔽。 

 

輻射耦合：電dian磁ci場chang的de輻fu射she也ye會hui造zao成cheng幹gan擾rao耦ou合he，是shi一yi種zhong無wu規gui則ze的de幹gan擾rao。這zhe種zhong幹gan擾rao很hen容rong易yi通tong過guo電dian源yuan線xian傳chuan到dao係xi統tong中zhong去qu。另ling當dang信xin號hao傳chuan輸shu線xian較jiao長chang時shi，它ta們men能neng輻fu射she幹gan擾rao波bo和he接jie收shou幹gan擾rao波bo，稱cheng為wei大da線xian效xiao應ying。 

 

漏電耦合：所謂漏電耦合就是電阻性耦合。這種幹擾常在絕緣降低時發生。記得以前我的觀點是：去藕電容一般容量比較大，也就是避免噪聲耦合到其他部分的意思；旁路電容容量小
，提供低阻抗的噪聲回流路徑。其實這種說法也可以算沒有什麼大錯誤。但是經過偶查閱了相關資料

，才發現其實decouple和bypass從根本上來說沒有任何區別，兩者在稱謂上可以互換。兩者的作用低俗一點說：當電源用。

 

所謂噪聲其實就是電源的波動，電源波動來自於兩個方麵：電(dian)源(yuan)本(ben)身(shen)的(de)波(bo)動(dong)，負(fu)載(zai)對(dui)電(dian)流(liu)需(xu)求(qiu)變(bian)化(hua)和(he)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)相(xiang)應(ying)能(neng)力(li)的(de)差(cha)別(bie)帶(dai)來(lai)的(de)電(dian)壓(ya)波(bo)動(dong)。而(er)去(qu)藕(ou)和(he)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)都(dou)是(shi)相(xiang)對(dui)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)引(yin)起(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)來(lai)說(shuo)。所(suo)以(yi)他(ta)們(men)兩(liang)個(ge)沒(mei)有(you)必(bi)要(yao)做(zuo)區(qu)分(fen)。而(er)且(qie)實(shi)際(ji)上(shang)電(dian)容(rong)值(zhi)的(de)大(da)小(xiao)
，數(shu)量(liang)也(ye)是(shi)有(you)理(li)論(lun)根(gen)據(ju)可(ke)循(xun)的(de)，如(ru)果(guo)隨(sui)意(yi)選(xuan)擇(ze)，可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)遇(yu)到(dao)去(qu)藕(ou)電(dian)容(rong)（旁路）和分布參數發生自激振蕩的情況。所以真正意義上的去藕和旁路都是根據負載和供電係 統的實際情況來說的。沒有必要去做區分，也沒有本質區別。 

 

電容是板卡設計中必用的元件，其品質的好壞已經成為我們判斷板卡質量的一個很重要的方麵。

 

①電容的功能和表示方法。

 

由兩個金屬極，中間夾有絕緣介質構成。電容的特性主要是隔直流通交流
，因此多用於級間耦合、濾波、去耦
、旁路及信號調諧。電容在電路中用“C”加數字表示，比如C8
，表示在電路中編號為8的電容。 

 

②電容的分類。 

 

電容按介質不同分為：氣體介質電容，液體介質電容
，無機固體介質電容，有機固體介質電容電解電容。按極性分為：有極性電容和無極性電容。按結構可分為：固定電容，可變電容，微調電容。

 

③電容的容量。 

 

電容容量表示能貯存電能的大小。電容對交流信號的阻礙作用稱為容抗
，容抗與交流信號的頻率和電容量有關，容抗XC=1/2πf c (f表示交流信號的頻率，C表示電容容量)。 

 

④電容的容量單位和耐壓。

 

電容的基本單位是F（法），其它單位還有：毫法（mF）、微法（uF）
、納法（nF）
、皮法（pF）。由於單位F 的容量太大

，所以我們看到的一般都是μF、nF、pF的單位。換算關係：1F＝1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。 

 

每一個電容都有它的耐壓值，用V表示。一般無極電容的標稱耐壓值比較高有：63V
、100V、160V、250V
、400V、600V、1000V等。有極電容的耐壓相對比較低
，一般標稱耐壓值有：4V、6.3V

、10V
、16V
、25V、35V、50V

、63V
、80V、100V、220V、400V等。 

 

⑤電容的標注方法和容量誤差。

 

電容的標注方法分為：直標法、色標法和數標法。對於體積比較大的電容
，多采用直標法。如果是0.005
，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。

 

數標法：一般用三位數字表示容量大小，前兩位表示有效數字，第三位數字是10的多少次方。如：102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示20x10x10x10 PF。nn色標法
，沿電容引線方向，用不同的顏色表示不同的數字，第一、二種環表示電容量，第三種顏色表示有效數字後零的個數（單位為pF）。顏色代表的數值為：黑=0、棕=1
、紅=2
、橙=3、黃=4、綠=5、藍=6

、紫=7、灰=8、白=9。 

 

電容容量誤差用符號F、G、J、K、L、M來表示，允許誤差分別對應為±1%、±2%
、±5%、±10%


、±15%、±20%。 

 

⑥電容的正負極區分和測量。

 

電容上麵有標誌的黑塊為負極。在PCB上電容位置上有兩個半圓
，塗顏色的半圓對應的引腳為負極。也有用引腳長短來區別正負極長腳為正

，短腳為負。

 

當dang我wo們men不bu知zhi道dao電dian容rong的de正zheng負fu極ji時shi，可ke以yi用yong萬wan用yong表biao來lai測ce量liang。電dian容rong兩liang極ji之zhi間jian的de介jie質zhi並bing不bu是shi絕jue對dui的de絕jue緣yuan體ti，它ta的de電dian阻zu也ye不bu是shi無wu限xian大da，而er是shi一yi個ge有you限xian的de數shu值zhi，一yi般ban在zai1000兆歐以上。電容兩極之間的電阻叫做絕緣電阻或漏電電阻。隻有電解電容的正極接電源正（電阻擋時的黑表筆），負端接電源負（電阻擋時的紅表筆）時，電解電容的漏電流才小（漏電阻大）。反之，則電解電容的漏電流增加（漏電阻減小）。這樣，我們先假定某極為“+”極，萬用表選用R*100或R*1K擋，然後將假定的“+”極與萬用表的黑表筆相接，另一電極與萬用表的紅表筆相接，記下表針停止的刻度（表針靠左阻值大），對於數字萬用表來說可以直接讀出讀數。然後將電容放電（兩根引線碰一下），然後兩隻表筆對調

，重新進行測量。兩次測量中，表針最後停留的位置靠左（或阻值大）的那次，黑表筆接的就是電解電容的正極。nn⑦電容使用的一些經驗及來四個誤區。 

 

一些經驗：在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)不(bu)能(neng)確(que)定(ding)線(xian)路(lu)的(de)極(ji)性(xing)時(shi)，建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)無(wu)極(ji)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)。通(tong)過(guo)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)不(bu)能(neng)超(chao)過(guo)其(qi)充(chong)許(xu)範(fan)圍(wei)。如(ru)超(chao)過(guo)了(le)規(gui)定(ding)值(zhi)，需(xu)選(xuan)用(yong)耐(nai)大(da)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)容(rong)。電(dian)容(rong)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)不(bu)能(neng)超(chao)過(guo)其(qi)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)。在(zai)進(jin)行(xing)電(dian)容(rong)的(de)焊(han)接(jie)的(de)時(shi)候(hou)，電(dian)烙(lao)鐵(tie)應(ying)與(yu)電(dian)容(rong)的(de)塑(su)料(liao)外(wai)殼(ke)保(bao)持(chi)一(yi)定(ding)的(de)距(ju)離(li)，以(yi)防(fang)止(zhi)過(guo)熱(re)造(zao)成(cheng)塑(su)料(liao)套(tao)管(guan)破(po)裂(lie)。並(bing)且(qie)焊(han)接(jie)時(shi)間(jian)不(bu)應(ying)超(chao)過(guo)10秒

，焊接溫度不應超過260攝氏度。 

 

四個誤區： 

 

●電容容量越大越好。

 

很多人在電容的替換中往往愛用大容量的電容。我們知道雖然電容越大，為IC提ti供gong的de電dian流liu補bu償chang的de能neng力li越yue強qiang。且qie不bu說shuo電dian容rong容rong量liang的de增zeng大da帶dai來lai的de體ti積ji變bian大da
，增zeng加jia成cheng本ben的de同tong時shi還hai影ying響xiang空kong氣qi流liu動dong和he散san熱re。關guan鍵jian在zai於yu電dian容rong上shang存cun在zai寄ji生sheng電dian感gan
，電dian容rong放fang電dian回hui路lu會hui在zai某mou個ge頻pin點dian上shang發fa生sheng諧xie振zhen。在zai諧xie振zhen點dian，電dian容rong的de阻zu抗kang小xiao。因yin此ci放fang電dian回hui路lu的de阻zu抗kang最zui小xiao
，補bu充chong能neng量liang的de效xiao果guo也ye最zui好hao。但dan當dang頻pin率lv超chao過guo諧xie振zhen點dian時shi，放fang電dian回hui路lu的de阻zu抗kang開kai始shi增zeng加jia，電dian容rong提ti供gong電dian流liu能neng力li便bian開kai始shi下xia降jiang。電dian容rong的de容rong值zhi越yue大da，諧xie振zhen頻pin率lv越yue低di，電dian容rong能neng有you效xiao補bu償chang電dian流liu的de頻pin率lv範fan圍wei也ye越yue小xiao。從cong保bao證zheng電dian容rong提ti供gong高gao頻pin電dian流liu的de能neng力li的de角jiao度du來lai說shuo，電dian容rong越yue大da越yue好hao的de觀guan點dian是shi錯cuo誤wu的de，一yi般ban的de電dian路lu設she計ji中zhong都dou有you一yi個ge參can考kao值zhi的de。 

 

●同樣容量的電容，並聯越多的小電容越好，耐壓值、耐溫值
、容值、ESR(等效電阻)等是電容的幾個重要參數
，對於ESR自然是越低越好。

 

ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關係。當電壓固定時候，容量越大，ESR越低。在板卡計中采用多個小電容並連多是出與PCB空間的限製，這樣有的人就認為

，越多的並聯小電阻
，ESR越低，效果越好。理論上是如此
，但是要考慮到電容接腳焊點的阻抗，采用多個小電容並聯，效果並不一定突出。 

 

●ESR越低
，效果越好。

 

結合我們上麵的提高的供電電路來說，對於輸入電容來說，輸入電容的容量要大一點。相對容量的要求，對ESR的要求可以適當的降低。因為輸入電容主要是耐壓

，其次是吸收MOSFET的開關脈衝。對於輸出電容來說，耐壓的要求和容量可以適當的降低一點。ESR的要求則高一點，因為這裏要保證的是足夠的電流通過量。但這裏要注意的是ESR並不是越低越好，低ESR電dian容rong會hui引yin起qi開kai關guan電dian路lu振zhen蕩dang。而er消xiao振zhen電dian路lu複fu雜za同tong時shi會hui導dao致zhi成cheng本ben的de增zeng加jia。板ban卡ka設she計ji中zhong，這zhe裏li一yi般ban有you一yi個ge參can考kao值zhi，此ci作zuo為wei元yuan件jian選xuan用yong參can數shu，避bi免mian消xiao振zhen電dian路lu而er導dao致zhi成cheng本ben的de增zeng加jia。 

 

●好電容代表著高品質。

 

 “唯電容論”曾zeng經jing盛sheng極ji一yi時shi，一yi些xie廠chang商shang和he媒mei體ti也ye刻ke意yi的de把ba這zhe個ge事shi情qing做zuo成cheng一yi個ge賣mai點dian。在zai板ban卡ka設she計ji中zhong，電dian路lu設she計ji水shui平ping是shi關guan鍵jian。和he有you的de廠chang商shang可ke以yi用yong兩liang相xiang供gong電dian做zuo出chu比bi一yi些xie廠chang商shang采cai用yong四si相xiang供gong電dian更geng穩wen定ding的de產chan品pin一yi樣yang，一yi味wei的de采cai用yong高gao價jia電dian容rong，不bu一yi定ding能neng做zuo出chu好hao產chan品pin。衡heng量liang一yi個ge產chan品pin，一yi定ding要yao全quan方fang位wei多duo角jiao度du的de去qu考kao慮lv，切qie不bu可ke把ba電dian容rong的de作zuo用yong有you意yi無wu意yi的de誇kua大da。

 

上拉與下拉

 

上拉電阻：

 

1、當TTL電路驅動COMS電路時，如果TTL電路輸出的高電平低於COMS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。

 

2
、OC門電路必須加上拉電阻
，才能使用。

 

3、為加大輸出引腳的驅動能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻。

 

4、在COMS芯片上
，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

 

5、芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗幹擾能力。

 

6、提高總線的抗電磁幹擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁幹擾。

 

7、長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波幹擾
，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑製反射波幹擾。

 

上拉電阻阻值的選擇原則包括:

 

1、從節約功耗及芯片的灌電流能力考慮應當足夠大；電阻大，電流小。

 

2、從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小；電阻小，電流大。

 

3、對於高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。綜合考慮

 

以上三點,通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類似道理 

 

對上拉電阻和下拉電阻的選擇應結合開關管特性和下級電路的輸入特性進行設定，主要需要考慮以下幾個因素：

 

1． 驅動能力與功耗的平衡。以上拉電阻為例，一般地說
，上拉電阻越小，驅動能力越強，但功耗越大，設計是應注意兩者之間的均衡。

 

2． 下級電路的驅動需求。同樣以上拉電阻為例，當輸出高電平時
，開關管斷開，上拉電阻應適當選擇以能夠向下級電路提供足夠的電流。

 

3． 高(gao)低(di)電(dian)平(ping)的(de)設(she)定(ding)。不(bu)同(tong)電(dian)路(lu)的(de)高(gao)低(di)電(dian)平(ping)的(de)門(men)檻(kan)電(dian)平(ping)會(hui)有(you)不(bu)同(tong)

，電(dian)阻(zu)應(ying)適(shi)當(dang)設(she)定(ding)以(yi)確(que)保(bao)能(neng)輸(shu)出(chu)正(zheng)確(que)的(de)電(dian)平(ping)。以(yi)上(shang)拉(la)電(dian)阻(zu)為(wei)例(li)，當(dang)輸(shu)出(chu)低(di)電(dian)平(ping)時(shi)，開(kai)關(guan)管(guan)導(dao)通(tong)
，上(shang)拉(la)電(dian)阻(zu)和(he)開(kai)關(guan)管(guan)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)值(zhi)應(ying)確(que)保(bao)在(zai)零(ling)電(dian)平(ping)門(men)檻(kan)之(zhi)下(xia)。

 

4． 頻率特性。以上拉電阻為例
，上拉電阻和開關管漏源級之間的電容和下級電路之間的輸入電容會形成RC延遲，電阻越大，延遲越大。上拉電阻的設定應考慮電路在這方麵的需求。

 

下拉電阻的設定的原則和上拉電阻是一樣的。

 

OC門輸出高電平時是一個高阻態，其上拉電流要由上拉電阻來提供，設輸入端每端口不大於100uA,設輸出口驅動電流約500uA，標準工作電壓是5V
，輸入口的高低電平門限為0.8V(低於此值為低電平)；2V(高電平門限值)。

 

選上拉電阻時：

 

500uA x 8.4K= 4.2即選大於8.4K時輸出端能下拉至0.8V以下，此為最小阻值，再小就拉不下來了。如果輸出口驅動電流較大，則阻值可減小
，保證下拉時能低於0.8V即可。

 

當輸出高電平時，忽略管子的漏電流

，兩輸入口需200uA

 

200uA x15K=3V即上拉電阻壓降為3V
，輸出口可達到2V，此阻值為最大阻值，再大就拉不到2V了。選10K可用。COMS門的可參考74HC係列

 

設計時管子的漏電流不可忽略
，IO口實際電流在不同電平下也是不同的，上述僅僅是原理
，一句話概括為：輸出高電平時要喂飽後麵的輸入口
，輸出低電平不要把輸出口喂撐了（否則多餘的電流喂給了級聯的輸入口
，高於低電平門限值就不可靠了）

 

 

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