耦合:能量從一個介質傳播到另一介質。
從電路來說,總是存在驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大,驅動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由於電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對於正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作。這就是耦合。
去藕電容就是起到一個電池的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。
旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合電容一般比較大,是10u或者更大,依據電路中分布參數,以及驅動電流的變化大小來確定。
旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。
交流耦合電容
我們在處理高速差分信號的時候,經常使用交流耦合,也會使用直流耦合, 比如PCI Express我們看到的是交流耦合, 早期光模塊和芯片之間的LVPECL則更多地使用直流耦合, 這篇文章我們不打算討論什么情況下使用交流耦合,什么情況下使用直流耦合,我們要討論的是使用交流耦合時需要解決的問題。
很簡單的一個問題, 交流耦合的電容需要選擇多大?我們最常見的有0.1uF和0.01uF, 可是我們有想過為什么嗎?為什么不選更大或者更小的?今天我們試圖來用最簡單的方式來解釋,我們先使用頻域的方式。
交流耦合電容與通過頻率
不能僅僅根據頻率選擇耦合電容,要參考后級輸入阻抗來計算。
把耦合電容加到電路中之后,bai耦合電容與負載電阻構成了RC 高通濾波器,所以可根據公式來計算出耦合電容的大小即:
f=1/2πRC
R 為負載電阻(耦合下一級電路的輸入電阻)須估算下一級的輸入電阻,f 為信號的頻率,C 就是要計算的耦合電容大小。
本質:耦合電容與下一級的輸入電阻構成了RC高通濾波器,為了保成輸入信號下限頻率能通過這一“RC高通濾波器”,RC高通濾波器的下限頻率不能高於輸入信號的頻率。相當於選擇適當的電容來設計一個高通濾波器,以保證輸入信號通不衰減通過,所以電容C可用公式計算出來,下面會給出公式。
交流耦合電容(RC高通濾波器實驗)
我們來看下面一個實驗,電路圖如下所示,輸入信號為頻率為1Hz,大小為10mv.可見此輸入信號有兩個特點,頻率很低,幅度又很小。按照常識,電容容量越大,信號的頻率就可以越低,現在的輸入信號頻率為1Hz,那么耦合電容的容量越大越好嗎???請看下面的實驗。
實驗結果:
1.輸入信號頻率為1Hz,幅度10mV,負載電阻300K,耦合電容先0.4uF測得輸入輸出波形如下圖所示,黃色為輸入,綠色為輸出。可見輸入信號經過耦合電容后,幅度被嚴重衰減,由此可知耦合電容選擇過小。
耦合電容選擇0.1uF-0.5uF之間,輸入信號衰減比較嚴重。
結論:如果電路要求信號耦合之后不能衰減,那么耦合電容就不能小於0.5uF。
2.輸入信號頻率為1Hz,幅度10mV,負載電阻300K,耦合電容大於等於0.5uF。輸出波形如下圖所示,可見只要電容大於0.5uF,信號耦合之后就不會有幅度衰減。
那么是不是選擇越大越好呢???請看實驗3。
3.輸入信號頻率為1Hz,幅度10mV,負載電阻300K,耦合電容為100uF。幅度不出現衰減,但電路反應變得非常緩慢,輸入信號后等待10多秒才有輸出信號。
剛輸入信號的前段時間,電路竟然不工作了,這是為什么呢???
主要是因為電容太大充電時間過長,至使輸出信號出現延遲,特別是輸入信號幅度很小的時侯就要特別注意這個問題,否則電路會變得非常緩慢。
總結:
把耦合電容加到電路中之后,耦合電容與負載電阻構成了RC高通濾波器,所以我們可根據公式來計算出耦合電容的大小即:
f=1/2πRC。 式中π=3.14。
單位 f:Hz ; R:歐姆;C:F。
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