為什么電容越大阻抗越小，頻率越高越容易通過
2024-12-16 11:38:09 點(diǎn)擊：
電容器有一個充放電的時間問題。當(dāng)交流電的正半周，給電容器充電的瞬間，電路是有電流流過的，相當(dāng)于通路，一旦電容器充電完畢，則電路就沒有電流流過了，相當(dāng)于斷路。當(dāng)交流電的負(fù)半周到來時，又將產(chǎn)生電流，先抵消掉原來充在電容上的那個相反的電荷，再繼續(xù)充電至充滿。
現(xiàn)在假設(shè)電容器需要的充電時間t一定，則當(dāng)一個頻率較高的交流電正半周結(jié)束時，假設(shè)電容器容量夠大，還未充滿電，負(fù)半周就到來了，則電路會一直流著電流，相當(dāng)于電容器對這個高頻的交流電來說，是通路的。
如果這個交流電的頻率較低，正半周將電容器充滿電荷以后，負(fù)半周仍未到來，則電流會在中途斷流，電容器對于這個低頻的交流電來說，就不是完全通路了。
如果充電的時間相對于交流電的半周期來講，是有較大比例的，那么這個電容器對這個頻率的交流電來講，還沒有完全斷路，只是有一定的阻抗。
如果充電的時間相對于那個頻率的交流電的半周期來講，是極短的，那么電容器就可以認(rèn)為完全斷路，沒有電流流過。
解釋二：
根據(jù)容抗的公式Xc = 1/(ωC)= 1/(2πfC)可知，頻率f越大，容抗越小，所以越容易通過
同理，頻率越小，容抗越大，所以越不容易通過。
為什么小電容通高頻，大電容通低頻?
解釋一：
大電容需要的介質(zhì)面積比較大，而電極和介質(zhì)是卷在一起或堆疊在一起的，要做到面積比較大，必然卷的或者堆疊的比較多，其分布電感就會變大，而分布電感越大，高頻越不容易通過。
從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高，但實(shí)際上超過1UF的電容大多為電解電容，有很大的電感成分，所以頻率高后反而阻抗會比較大，有時候會看到有一個電容量較大的電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高頻阻低頻，電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過，具體用在濾波中，大電容濾低頻，小電容濾高頻。
解釋二：
理論上電容越大阻抗越小，頻率越高越容易通過，理論是沒錯。
低頻通不過小電容：不是絕對通不過，只是阻抗較大不容易通過。
高頻通不過大電容：理論上大電容高頻更容易通過，只不過由于大電容制造工藝所限，一般都是卷制的，大電容本身分布電感比小電容要大得多，由于感抗與高頻阻抗成反比關(guān)系，所以就限制了高頻信號的通過，一般電源濾波回路負(fù)責(zé)人的廠家會在大電容旁邊再裝個瓷片小電容濾除高頻干擾信號。
理論上，小電容更傾向于過濾高頻信號，而大電容則更適合濾除低頻信號。這一現(xiàn)象的根源在于電容器對交流信號的阻抗特性，即容抗X_C。容抗是電容器對交流信號的阻礙程度的量度，它的數(shù)值與交流信號的頻率f以及電容器的容量C有著密切的關(guān)系。具體地，容抗X_C的計算公式為：X_C = \frac{1}{2 \pi \cdot f \cdot C}。從公式中可以看出，當(dāng)電容器的容量固定時，頻率越高，容抗就越小;反之，在頻率不變的情況下，電容越大，容抗就越小。特別地，對于直流信號(頻率為0)，電容的容抗趨于無窮大，相當(dāng)于電路中的斷路狀態(tài)。
一直有個疑惑：電容感抗是1/jwC，大電容C大，高頻時 w也大，阻抗應(yīng)該很小，不是更適合濾除高頻信號?
然而事實(shí)卻是：大電容濾除低頻信號。
今天找到解答如下：
一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號,0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾,還可以起到穩(wěn)壓的作用濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個數(shù)就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個也挺好的，暫時沒用的可以先不貼，根據(jù)實(shí)際的調(diào)試情況再選擇容值。如果你PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個電容就可以了，一個慮除紋波，一個慮除高頻信號。如果會出現(xiàn)比較大的瞬時電流，建議再加一個比較大的鉭電容。
其實(shí)濾波應(yīng)該也包含兩個方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理我就不說了，實(shí)用點(diǎn)的，一般數(shù)字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下;20M以上用1到10個uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據(jù)諧振頻率一般為0.1或0.01uF說到電容，各種各樣的叫法就會讓人頭暈?zāi)垦＃月冯娙荩ヱ铍娙荩瑸V波電容等等，其實(shí)無論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對交流信號呈現(xiàn)低阻抗的特性，這一點(diǎn)可以通過電容的等效阻抗公式看出來：
Xcap=1/2лfC，
工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小.。
在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容;如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，就可以稱為去耦電容;如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容;除此以外，對于直流電壓，電容器還可作為電路儲能，利用沖放電起到電池的作用。而實(shí)際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計中的電容都稱為旁路電容.
電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，(還有電容本身的電阻，有時也不可忽略)
這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/(LC)1/2
在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。
這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。至于到底用多大的電容，這是一個參考電容諧振頻率。
不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說——主要靠經(jīng)驗(yàn)。
更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯(lián)，一般要求相差兩個數(shù)量級以上，以獲得更大的濾波頻段。一般來講，大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波。電容值和你要濾除頻率的平方成反比。
具體電容的選擇可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實(shí)也不難。
1)理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少(1/jwc),但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng),這時電容應(yīng)該看成是一個LC串連諧振電路,自諧振頻率即器件的FSR參數(shù),這表示頻率大于FSR值時,電容變成了一個電感,如果電容對地濾波,當(dāng)頻率超出FSR后,對干擾的抑制就大打折扣,所以需要一個較小的電容并聯(lián)對地,可以想想為什么?原因在于小電容,SFR值大,對高頻信號提供了一個對地通路,所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解:大電容慮低頻,小電容慮高頻,根本的原因在于SFR(自諧振頻率)值不同,當(dāng)然也可以想想為什么?如果從這個角度想,也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了.
2)那么在實(shí)際的設(shè)計中,我們常常會有疑問,我怎么知道電容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何選取不同SFR值的電容值呢?是選取一個電容還是兩個電容?電容的SFR值和電容值有關(guān),和電容的引腳電感有關(guān),所以相同容值的0402,0603,或直插式電容的SFR值也不會相同,當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個,1)器件Data sheet,如22pf0402電容的SFR值在2G左右, 2)通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測其自諧振頻率,想想如何量測?S21?知道了電容的SFR值后,用軟件仿真,如RFsim99,選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比.仿真完后,那就是實(shí)際電路試驗(yàn),如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時,LNA的電源濾波是關(guān)鍵,好的電源濾波往往可以改善幾個dB.
說的通俗一點(diǎn)，把電容當(dāng)作一個正在漏水的懷子，把交流電的峰值到來時看作給懷子加水，在漏水量相等的情況下，那么加水次數(shù)的頻率高就多用小點(diǎn)的懷子，這樣就能保準(zhǔn)水位是高的，相反，在加水次數(shù)低頻下懷子小了，沒等第二次來水時懷中的水位已經(jīng)下降好多了，所以要用大的水懷來緩和因漏水造成的水位下降。
在電子電路中，電容作為一種基本的元件，具有濾波、儲能等多種功能，但在電容的使用上，有種說法是：“大電容濾低頻，小電容濾高頻”，那么這種說法是真的嗎?
在探索這個問題前，先來了解下電容濾波的原理，電容濾波的基本原理是通過電容的充放電特性，對輸入信號進(jìn)行平滑處理，當(dāng)輸入信號為交流信號時，電容將根據(jù)輸入信號的頻率進(jìn)行充放電。
對高頻信號，電容的充/放電時間短，因此高頻信號通過電容時被衰減，但對低頻信號，電容的充/放電時間廠，因此低頻信號也能通過電容。
電容的頻率響應(yīng)是指電容對不同頻率信號的衰減程度，一般來說，電容對高頻信號的衰減較大，對低頻信號的衰減較小，但注意：這個衰減程度并非簡單的與電容大小成正比，實(shí)際上，電容的頻率響應(yīng)受到多種因素的影響，如電容的容量、等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)等。
所以，不能認(rèn)為“大電容濾低頻，小電容濾高頻”這個說法是正確的，實(shí)際上，電容的頻率響應(yīng)是相對復(fù)雜的問題，需要綜合考慮多種因素。
現(xiàn)在假設(shè)電容器需要的充電時間t一定，則當(dāng)一個頻率較高的交流電正半周結(jié)束時，假設(shè)電容器容量夠大，還未充滿電，負(fù)半周就到來了，則電路會一直流著電流，相當(dāng)于電容器對這個高頻的交流電來說，是通路的。
如果這個交流電的頻率較低，正半周將電容器充滿電荷以后，負(fù)半周仍未到來，則電流會在中途斷流，電容器對于這個低頻的交流電來說，就不是完全通路了。
如果充電的時間相對于交流電的半周期來講，是有較大比例的，那么這個電容器對這個頻率的交流電來講，還沒有完全斷路，只是有一定的阻抗。
如果充電的時間相對于那個頻率的交流電的半周期來講，是極短的，那么電容器就可以認(rèn)為完全斷路，沒有電流流過。
解釋二：
根據(jù)容抗的公式Xc = 1/(ωC)= 1/(2πfC)可知，頻率f越大，容抗越小，所以越容易通過
同理，頻率越小，容抗越大，所以越不容易通過。
為什么小電容通高頻，大電容通低頻?
解釋一：
大電容需要的介質(zhì)面積比較大，而電極和介質(zhì)是卷在一起或堆疊在一起的，要做到面積比較大，必然卷的或者堆疊的比較多，其分布電感就會變大，而分布電感越大，高頻越不容易通過。
從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高，但實(shí)際上超過1UF的電容大多為電解電容，有很大的電感成分，所以頻率高后反而阻抗會比較大，有時候會看到有一個電容量較大的電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高頻阻低頻，電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過，具體用在濾波中，大電容濾低頻，小電容濾高頻。
解釋二：
理論上電容越大阻抗越小，頻率越高越容易通過，理論是沒錯。
低頻通不過小電容：不是絕對通不過，只是阻抗較大不容易通過。
高頻通不過大電容：理論上大電容高頻更容易通過，只不過由于大電容制造工藝所限，一般都是卷制的，大電容本身分布電感比小電容要大得多，由于感抗與高頻阻抗成反比關(guān)系，所以就限制了高頻信號的通過，一般電源濾波回路負(fù)責(zé)人的廠家會在大電容旁邊再裝個瓷片小電容濾除高頻干擾信號。
理論上，小電容更傾向于過濾高頻信號，而大電容則更適合濾除低頻信號。這一現(xiàn)象的根源在于電容器對交流信號的阻抗特性，即容抗X_C。容抗是電容器對交流信號的阻礙程度的量度，它的數(shù)值與交流信號的頻率f以及電容器的容量C有著密切的關(guān)系。具體地，容抗X_C的計算公式為：X_C = \frac{1}{2 \pi \cdot f \cdot C}。從公式中可以看出，當(dāng)電容器的容量固定時，頻率越高，容抗就越小;反之，在頻率不變的情況下，電容越大，容抗就越小。特別地，對于直流信號(頻率為0)，電容的容抗趨于無窮大，相當(dāng)于電路中的斷路狀態(tài)。
一直有個疑惑：電容感抗是1/jwC，大電容C大，高頻時 w也大，阻抗應(yīng)該很小，不是更適合濾除高頻信號?
然而事實(shí)卻是：大電容濾除低頻信號。
今天找到解答如下：
一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號,0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾,還可以起到穩(wěn)壓的作用濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個數(shù)就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個也挺好的，暫時沒用的可以先不貼，根據(jù)實(shí)際的調(diào)試情況再選擇容值。如果你PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個電容就可以了，一個慮除紋波，一個慮除高頻信號。如果會出現(xiàn)比較大的瞬時電流，建議再加一個比較大的鉭電容。
其實(shí)濾波應(yīng)該也包含兩個方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理我就不說了，實(shí)用點(diǎn)的，一般數(shù)字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下;20M以上用1到10個uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據(jù)諧振頻率一般為0.1或0.01uF說到電容，各種各樣的叫法就會讓人頭暈?zāi)垦＃月冯娙荩ヱ铍娙荩瑸V波電容等等，其實(shí)無論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對交流信號呈現(xiàn)低阻抗的特性，這一點(diǎn)可以通過電容的等效阻抗公式看出來：
Xcap=1/2лfC，
工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小.。
在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容;如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，就可以稱為去耦電容;如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容;除此以外，對于直流電壓，電容器還可作為電路儲能，利用沖放電起到電池的作用。而實(shí)際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計中的電容都稱為旁路電容.
電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，(還有電容本身的電阻，有時也不可忽略)
這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/(LC)1/2
在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。
這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。至于到底用多大的電容，這是一個參考電容諧振頻率。
不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說——主要靠經(jīng)驗(yàn)。
更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯(lián)，一般要求相差兩個數(shù)量級以上，以獲得更大的濾波頻段。一般來講，大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波。電容值和你要濾除頻率的平方成反比。
具體電容的選擇可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實(shí)也不難。
1)理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少(1/jwc),但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng),這時電容應(yīng)該看成是一個LC串連諧振電路,自諧振頻率即器件的FSR參數(shù),這表示頻率大于FSR值時,電容變成了一個電感,如果電容對地濾波,當(dāng)頻率超出FSR后,對干擾的抑制就大打折扣,所以需要一個較小的電容并聯(lián)對地,可以想想為什么?原因在于小電容,SFR值大,對高頻信號提供了一個對地通路,所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解:大電容慮低頻,小電容慮高頻,根本的原因在于SFR(自諧振頻率)值不同,當(dāng)然也可以想想為什么?如果從這個角度想,也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了.
2)那么在實(shí)際的設(shè)計中,我們常常會有疑問,我怎么知道電容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何選取不同SFR值的電容值呢?是選取一個電容還是兩個電容?電容的SFR值和電容值有關(guān),和電容的引腳電感有關(guān),所以相同容值的0402,0603,或直插式電容的SFR值也不會相同,當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個,1)器件Data sheet,如22pf0402電容的SFR值在2G左右, 2)通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測其自諧振頻率,想想如何量測?S21?知道了電容的SFR值后,用軟件仿真,如RFsim99,選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比.仿真完后,那就是實(shí)際電路試驗(yàn),如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時,LNA的電源濾波是關(guān)鍵,好的電源濾波往往可以改善幾個dB.
說的通俗一點(diǎn)，把電容當(dāng)作一個正在漏水的懷子，把交流電的峰值到來時看作給懷子加水，在漏水量相等的情況下，那么加水次數(shù)的頻率高就多用小點(diǎn)的懷子，這樣就能保準(zhǔn)水位是高的，相反，在加水次數(shù)低頻下懷子小了，沒等第二次來水時懷中的水位已經(jīng)下降好多了，所以要用大的水懷來緩和因漏水造成的水位下降。
在電子電路中，電容作為一種基本的元件，具有濾波、儲能等多種功能，但在電容的使用上，有種說法是：“大電容濾低頻，小電容濾高頻”，那么這種說法是真的嗎?
在探索這個問題前，先來了解下電容濾波的原理，電容濾波的基本原理是通過電容的充放電特性，對輸入信號進(jìn)行平滑處理，當(dāng)輸入信號為交流信號時，電容將根據(jù)輸入信號的頻率進(jìn)行充放電。
對高頻信號，電容的充/放電時間短，因此高頻信號通過電容時被衰減，但對低頻信號，電容的充/放電時間廠，因此低頻信號也能通過電容。
電容的頻率響應(yīng)是指電容對不同頻率信號的衰減程度，一般來說，電容對高頻信號的衰減較大，對低頻信號的衰減較小，但注意：這個衰減程度并非簡單的與電容大小成正比，實(shí)際上，電容的頻率響應(yīng)受到多種因素的影響，如電容的容量、等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)等。
所以，不能認(rèn)為“大電容濾低頻，小電容濾高頻”這個說法是正確的，實(shí)際上，電容的頻率響應(yīng)是相對復(fù)雜的問題，需要綜合考慮多種因素。
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