滤波电容在电压调整电路中的应用分析Word下载.docx
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在描述电容的特性之前,我们需要了解以下几个参数:
电阻?
符号R,是指通过导体的直流电压与电流之比,单位为欧姆。
电抗?
符号X,是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分,包括感抗(XL)和容抗(XC),单位为欧姆。
阻抗?
符号Z,是一个复合参数,实部为电阻,虚部为电抗,单位为欧姆,所以阻抗也可以表示为:
Z=R+jX。
电导?
符号G,是指通过导体的直流电流与电压之比,电阻的倒数,单位为西门子。
电纳?
符号B,是导纳的虚数部分,包括容纳(BC)和感纳(BL),单位为西门子。
导纳?
符号Y,是阻抗Z的倒数,也是一个复合参数,实部为电导,虚部为电纳,单位为西门子,也可以表示为:
Y=G+jB
导纳Y通常表示的是器件并联的情况,而阻抗Z表示的则是器件串联的情况,见图1。
其中,
图1:
阻抗与导纳的表示方法。
所以对于串联的器件组合,如果θ>
0℃,则说明器件两端有感性,越接近90℃,感性越强,当θ=90℃时,为纯感性器件。
同样θ<
0℃,则说明器件有容性,越接近-90℃,容性越强,当θ=-90℃时,为纯容性器件。
常见的几种类型的电容特点如表1所示,
表1:
不同种类电容的优缺点。
现实中并没有纯电阻,也没有纯电容或电感,都是这几种理想器件的组合。
实际的电解电容的等效电路可以表示如图2所示。
其中:
Ra?
介质吸收引起的电阻,Ca?
介质吸收引起的电容,RLE?
漏电引起的电阻,RL?
引线引起的电阻,LL?
引线引起的电感。
实际的多层陶瓷电容的等效电路则可以如3表示,对于用作滤波作用的电容,当然不希望有ESL,即使在高频也保持良好的容性,即θ等于或接近-90度。
图2:
电解电容的等效电路。
电容特性的实际测量
因此,我们只需要测量出电容引线两端的串联电阻(RS)、串联电容(CS)、串联电感(LS)、阻抗(Z)以及夹角(θ)在对应频率下的值,即可以较为全面地评估电容的特性。
下面以RubyconYXF系列电解电容为例,使用安捷伦的4284APrecisionLCRMeter测试,得到表2中的数据。
表2:
RubyconYXF系列电解电容测试数据。
从以上数据看出,50V/10uF电解电容,当f>
800k,失去容性,呈现弱感性。
表3则是Taiyoyuden贴片多层陶瓷电容16V/1uF、16V/0.1uF的测试数据。
所以以上两颗电容在1MHz频率以内,都保持较高得Q值,呈现出良好得容性特征。
表3:
多层陶瓷电容测试数据[测试条件:
Vbias=0V,Vac=1.0V]。
电容的并联效果
既然实际的电容特性与理想电容有一定的差距,那么接在输入、输出端的滤波电容到底产生了什么样的作用呢?
有的应用手册上给出,使用两颗电容并联到GND,一颗容值较大的电解电容,另一颗是容值较小的陶瓷电容,比如C1=10uF,C2=0.1uF,为了研究并联的交流特性,加入一只电阻R0,等效成如下电路,交流特性的影响是由两只电容引起的,如图4所示。
图3:
多层陶瓷电容的等效电路。
图4:
两只电容并联的交流等效电路。
其中R0为信号源内阻,R1为电容C1的等效串联电阻,R2为电容C2的等效串联电阻。
传输函数可以表示成下式,
从上式不难看出,系统包括两个极点,两个零点。
,当满足条件C1>
>
C2,R1>
R2时,极点可以表达成下式,
以上面50V/10uF电解电容,和16V/1uF陶瓷电容的数据作为依据,对上述器件进行如下赋值,ESR取f=100kHz的值。
R0=1Ω,C1=8.21uF,C2=0.997uF,R1=774mΩ,R2=190mΩ,图3网络的频率特性如图4所示,
从上图看出,在紧接着第一个极点P1之后,出现了第一个零点Z1,它是由R1、C1形成的,如果没有电容C2,AC曲线将保持水平,不再有衰减。
正是由于C2的存在,使得增益在通过第二个极点P2之后继续衰减,直至第二个零点Z2。
因此要使两只电容并联的增益衰减更多,可以将Z2外移,也就是使电容C2以及R2远小于C1、R1。
这是假定电容C、ESR在所有频率下都是定值的条件下,用MATHCAD计算出的理想曲线。
实际上,根据上表中的数据告诉我们,C、ESR会随着频率而变化,而且在高频时会出现ESL,考虑到这些因素,得到的曲线如图5所示。
图6是使用网络分析仪(Agilent4395A)得到的实际频响曲线。
图5:
两只电容并联的幅度\相位频率特性。
图6:
根据实测数据计算出的频率特性。
在频率小于100kHz时,图5与图6几乎没有差别,大约在f>
700kHz,由于ESL的作用,增益上翘。
当满足条件R1×
C1=R2×
C2时,根据上式系统可以简化成一个极点,一个零点。
现实中满足这种条件的有两种情况,两只电容C1、C2完全相同,意味着类型、容值、ESR和频率特性等一样。
图7:
网络分析测到的频率特性。
容值与ESR成反比,对于同一类型的电容,实际上也基本满足这个规律。
此时其零、极点变为
零点->
极点->
实际上此时可以等效成1个电容,它的容值为两个电容的并联Ce=C1//C2,ESR为两个ESR并联Re=R1//R2。
三只电容并联的情况如图8所示,传输函数可以表示成
图8:
三只电容并联的交流等效电路。
从上式不难看出,系统包括三个极点,三个零点。
假定上述器件给出值如下,R0=1Ω、C1=10uF、C2=1uF、C3=0.1uF、R1=2Ω、R2=100mΩ、R3=50mΩ,网络的频率特性如图9,
衰减是第一个极点P1开始,到最后一个零点Z3结束。
P1是由C1、R0+R1引起的,Z3是由C3、R3引起的。
同样类似的情况,当满足R1×
C2=R3×
C3时,仍可以等效成一只电容,其容值为三个电容的并联Ce=C1//C2//C3,ESR为三个电阻并联Re=R1//R2//R3。
对于线性电压调整器,用户只关心输出端的交流噪声。
这个噪声只有两个来源,一个是来自输入端,一个则是来自调整器本身。
幸运的是,来自BCD新一代线性电压调整器能够很好地解决这两个问题。
芯片本身出色的PSRR性能,可以很好的抑制来自输入端的交流噪声,尤其是在低频部分;
而自身的输出噪声很低,几乎可以忽略。
比如AP2121,PSRR为70dB,从DC可以持续到1kHz、10Hz~100kHz之间的噪声电压只有30uVrms。
因此在使用AP2121时,根本不需要再额外使用多个电容并联,尤其是大的电解电容,就可以得到干净的电压源。
图9:
三只电容并联计算出的频率响应。
本文结论
为了实现更好的噪声衰减,当使用多只电容并联时,应选择ESR与C各不相同的电容,这样可以使衰减曲线从第一个极点开始,一直到最后一个零点结束,容值最大的那只电容决定了衰减的起始频率,容值最小的那只电容决定了衰减的终止频率,并且务必减小引线长度,防止出现ESL。
当使用AP2121高PSRR、低噪声线性电压调整器时,只需要使用一颗片式陶瓷电容,推荐值1uF。
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- 滤波 电容 电压 调整 电路 中的 应用 分析