硬件工程师入门：电容的特性和常用滤波电路
硬件工程师入门：电容的特性和常用滤波电路
电容是电子电路中常见的被动元件之一，广泛应用于滤波、耦合、去耦、储能等场景。本文将从电容的基本概念出发，详细介绍其特性、储能功能、稳压滤波功能，以及在低通和高通滤波电路中的应用，适合硬件工程师入门学习。
电容的基本概念
电容简单来说就是两块不连通的导体加上中间的绝缘材料。通过控制中间绝缘材料的材质和两个导体之间的相对面积大小来控制其电容量大小。电解电容有方向性，需要区分正负极，接反或超过额定电压都可能导致爆炸。
电容有多种类型，根据电路中需要的特性来选择合适的电容。例如，CBB电容不分正反，耐压可以非常高，高频特性较好；固态电解电容的温度特性比一般的电解电容好。
电容最重要的特性是：电容两端电压不能突变。电容两端的相对电压不能突变，只要电容不充电或放电，电容两端的电压就不变。但是两端电压可以同时突变。
例如，下面的电路在开关闭合后中间点的电压可以瞬间达到2.5V。将一个电阻换成电容，开关闭合后中间点电压缓慢上升。
之后断开S2开关，闭合S3开关，下面一点与5V短路等于5V，因为电容存有5V的能量，上级板比下级板高5V，底部由0变成5V，所以上面一点电压被抬升为10V电压。
电容的储能特性
电容可以简单理解为小电池，电容的充电速度和电容大小以及充电电流有关。电容的充电时间常数 = 电阻 * 电容大小。
举例：电源V3为10V，电阻R6为1K，电容C1为1nF。在1微秒时，电容可以充到电源电压的63%。2微秒时为86%。所以一般到3~5个τ值就证明电容充满了。
利用电容的储能特性，充电过程中电压慢慢上升，可以利用这个特性做一个上电延时。利用电容的储能特性可以实现关断延时：左边闭合开关led点亮，右边闭合led点亮，电容储能，断开开关led不会立刻熄灭，而是电容放电led缓慢熄灭，持续时间看电容大小。
电容的稳压功能和滤波功能
为什么很多电路和芯片上面都要加电容：
用一个电容模拟电压跌落的过程，一开始未闭合开关通入3.3V电压中间点被分压为1.65V，Vout为1.65V，之后闭合开关观察到Vout电压出现跌落现象，之后再恢复1.65V电压。如果Vout后接入一个电路，该器件可能出现死机或复位现象。
解决方法：在电阻和电容之间并联一个电容起到稳压滤波的作用。
电容的容抗计算公式
公式：
电容在频率越高时，阻抗越小，频率越小阻抗越大，通交隔直。当电路频率一定时，电容越大，阻抗越小，电路电流越大，电容一定时，频率越大阻抗越小，电路电流越大。
低通滤波电路
1.低通滤波电路原理及作用
低通滤波电路可以让低频的信号通过，衰减高频的信号，低通滤波电路有以上作用是利用了电容充放电特性实现的。
低通滤波电路概念：低通滤波电路指频率比截止频率低时通过，简单说就是由一个R和C组成的电路，截止频率是由电阻值和电容值决定的结果。
截止频率概念：当输入信号的频率等于ft截止频率时，进入电路，电压值会衰减-3dB，即0.707倍。
举例：取RC赋值后截止频率ft等于1K，输入一个峰峰值为1V，频率为1K的信号，经过低通滤波电路后，衰减-3db，为自身的0.707倍，峰峰值变为0.707V。如果将输入信号频率更改为10K，经过电路电压大幅下降。如果将输入信号频率更改为100，经过电路电压与输入电压变化不大。
实际电路应用：有一个电路，输入信号为1KHz，正常输入信号比较纯净，但是实际电路中多少会有噪声，噪声可能为高频的噪声，这些是需要过滤的，可以添加一个RC过滤。
电压原理：根据电阻分压公式可得Vout公式如下，再根据容抗计算公式，可知频率越小，阻抗越大，分压Vout越大。频率越大，阻抗越小，分压Vout越小。
物理本质：利用电容充放电实现，衰减原因是因为电容充电速度跟不上输入信号的变化速度。
高频：跟不上，电容电压较小。
低频：跟得上，电容电压较大。
2.高通滤波电路原理及作用
高通滤波电路可以让“高频”的信号通过，衰减“低频” 的信号。根据截止频率判断“高”或“低”频。与低通滤波电路相同，由一个R和C组成，位置互换，Vout测电阻的电压，为高通滤波电路。
根据实验仿真结果，当输入信号等于截止频率时，依旧等于输入信号的0.707倍。当输入信号为10K大于截止频率时，输出约等于输入。在输入信号叠加一个50Hz低频噪声的情况下为白色线段有波动，再经过高通滤波电路后为红色线段，较为平稳。
3.高通滤波电路常见应用场景
与低通滤波电路应用差不多，在很多场景下，要传输高频信号到后续电路，有时会遇到一些低频干扰噪声，例如工频干扰，可以利用高通滤波电路过滤噪声。