2021年电容滤波电路滤波原理

电容滤波电路滤波原理欧阳光明(2021.03.07)滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容 滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截 止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当uCu2，导致D1和D3管反向偏置 而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。单相桥式整流电容滤波珥路及糖态叶的波形分析当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次 对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL 放电，uC按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。RL、C对充放电的影响电容充电时间常数为rDC，因为二极管的rD很小，所以充电时间常数小，充电速度快；RLC为放电时间常数，因为RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取 决于放电时间常数。电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图所示。M不同时UU的波形四、电容反馈式振荡电路显验典电容反馈式振荡电路1. 电路组成为了获得较好的输出电压波 形，若将电感反馈式振荡电路中 的电容换成电感，电感换成电 容，并在转换后将两个电容的公 共端接地，且增加集电极电阻 R，就可得到电容反馈式振荡电 路，如右图所示。因为两个电容 的三个端分别接在晶体管的三个 极，故也称为电容三点式电路。2. 工作原理根据正弦波振荡电路的判断方法，观察如上图所示电路，包含了放大电 路、选频网络、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个部分；放大电路能够正常工作；断开反馈，加频率为的输入电压，给定其极性，判断出从C2上所获得 的反馈电压极性与输入电压相同，故电路弦波振荡的相位条件，各点瞬时极性如 图所示。只要电路参数选择得当，电路就可以满足幅值条件，而产生正弦波振荡。3. 振荡频率及起振条件振荡频率反馈系数起振条件4.优缺点*欧阳光明*创编一乙、T*欧阳光明*创编2021.03.07电容反馈式振荡电路的输出电压波形好，但若用改变电容的方法来调节振荡频 率，则会影响电路的反馈系数和起振条 件；而若用改变电感的方法来调节振荡频 率，则比较困难。在振荡频率可调范围不 大的情况下，可采用如右图所示电路作为 选频网络。5.稳定振荡频率的措施若要提高电容反馈式振荡电路的频率，要减小CC2的电容量和L的电感 量。实际上，当q和C2减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散 电容将纳入C1和C2之中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入 电容C.和输出电容C，改进型电路和等效电器如下图所示。由于极间电容受温 度的影响，杂散电容艾难于确定，为了稳定振荡频率，在电感支路串联一个小容 量电容C3，而且C3C1，C3C2，这样1 1 111 + + ft!% G+= Q+q / 弓振荡频率几乎与C1和C2无关，也与C.和Cq无关，所以频率稳定度高。电容反馈式振荡电路的改进等效电路7.1.3 LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同 的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放 大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压 作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。由于LC正 弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路。-、LC谐振回路的频率特性LC正弦波振荡电路中的选频网络采用LC并联网络，如图所示。图（a）为理 想电路，无损耗，谐振频率为瑟瓦F （推导过程在信号频率较低时，电容的容抗（井商）1很大，网络呈感性；在信号频率较高时，电感的_L Ir r芝 感抗（&=j心很大，网络呈容性；只有当f=f0心丁 7 时，网络才呈纯阻性，且阻抗最大。这时电路产 生电流谐振，电容的电场能转换成磁场能，而电一 感的磁场能又转换成电场能，两种能量相互转 换。实际的LC并联网络总是有损耗的，各种心考虐值路现恳时的网察LC并朕网绪损耗等效成电阻R，如图（b）所示。电路的导 纳为R. j窥 回路的品质因数C （推导过程上式表明，选频网络的损耗愈小，谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数 值愈大。当f=f0时，电抗（推导过程当网络的输入电流为/0时，电容和电感的电流约为QIo。1 = 7 =+5根据式Z J f 就，可得适用于频率从零到无穷大时LC并联网络 电抗的表达式Z=1/匕其频率特性如下图所示。Q值愈大，曲线愈陡，选频特性 愈好。十90酒大LC井联网络电抗的频率特性若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载，如右图所示，则电路的电压放大倍数根据LC并联网络的频率特性，当 f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无 附加相移（原因）。对于其余频率的信 号，电压放大倍数不但数值减小，而且 有附加相移。电路具有选频特性，故称 之为选频放大电路。若在电路中引入正 反馈，并能用反馈电压取代输入电压， 则电路就成为正弦波振荡电路。根据引 入反馈的方式不同，LC正弦波振荡电路 分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种电路。三、电感反馈式振荡电路演示力的L血1. 电路组成为了克服变压器反馈式振荡 电路中变压器原边线圈和副边线 圈耦合不紧密的缺点，可将变压 器反馈式振荡电路的盐和N2合 并为一个线圈，如右图所示，为 了加强谐振效果，将电容C跨 接在整个线圈两端，便得到电感 反馈式振荡电路。2. 工作原理观察电路它包含了放大电路、选频网络、反馈网络和非线性元件（晶体 管）四个部分，而且放大电路能够正常工作。用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件：断开反馈，加频 率为九的输入电压，给定其极性，判断出从N2上获得的反馈电压极性与输入电 压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件，各点瞬时极性如上图所示。只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。如下图所示为电感反馈式振荡电路的交流通路，原边线圈的三个端分别接在 晶体管的三个极，故称电感反馈式振荡电路为电感三点式电路。电感反饿式振荡电路的交流通路3. 振荡频率及起振条件振荡频率做2正叵+上反馈系数起振条件r!l4. 优缺点电感反馈式振荡电路中N2与N1之间耦合紧密，振幅大，易起振；当C采用 可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高振荡频率可达几十 MHz。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，反馈信号中含有 较多的高次谐波分量，输出电压波形不好。滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流 更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放*欧阳光明*创编2021.03.07大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。1. 关于去耦电容蓄能作用的理解1）去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是 通过电磁辐射。而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。你可以把总电源看作密云水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，等水过来，我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔，水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而 且频率很高，而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高 的情况下，阻抗Z = i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一（在vcc引脚上通常并联一个去藕电容，这样交流分量就从这个 电容接地。）2）有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去 耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传 播和将噪声引导到地2. 旁路电容和去耦电容的区别去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能 量。去耦电容还可以为器件 供局部化的DC电压源，它在减少跨 板浪涌电流方面特别有用。旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通 过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供 基带滤波功能（带宽受限）。我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方 面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生 的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源 携带的噪声对电路构成干扰。在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电 容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路 （bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级*欧阳光明*创编2021.03.07携带的高频杂波滤除，而去耦(decoupling)电容也称退耦电容， 是把输出信号的干扰作为滤除对象。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等， 而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大，依据电路中分布参 数，以及驱动电流的变化大小来确定。数字电路中典型的去耦电容值是0.1此。这个电容的分布电感的典 型值是5HO 0.1此的去耦电容有5H的分布电感，它的并行共振 频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较 好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1此、10此 的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好 一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电 容，可选10此左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷 起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或 聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即 10MHz 取 0.1此，100MHz 取 0.01此。补充：电容器选用及使用注意事项：1，一般在低频耦合或旁路，电气特性要求较低时，可选用纸介、 涤纶电容器；在高频高压电路中，应选用云母电容器或瓷介电容 器；在电源滤波和退耦电路中，可选用电解电容器。2, 在振荡电路、延时电路、音调电路中，电容器容量应尽可能与 计算值一致。在各种滤波及网（选频网络），电容器容量要求精 确；在退耦电路、低频耦合电路中，对同两级精度的要求不太严 格。3, 电容器额定电压应高于实际工作电压，并要有足够的余地，一 般选用耐压值为实际工作电压两倍以上的电容器。4, 优先选用绝缘电阻高，损耗小的电容器，还要注意使用环境。呵呵，去偶电容有时侯,用的是一个大电容和一个小电容并联使用，这 样更好滤除电路的谐波，使电路输入电源更平稳.