耦合电容、极间电容、旁路电容、去耦电容的原理与应用

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耦合电容、极间电容、旁路电容、去耦电容的原理与应用

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CSDN

https://blog.csdn.net/weixin_41872791/article/details/121148872

在电子电路设计中，电容的应用非常广泛，其中耦合电容、极间电容、旁路电容和去耦电容是最常见的几种类型。它们在电路中的作用各不相同，正确理解它们的特点和应用场景对于电路设计至关重要。本文将对这几种电容进行详细的解释和对比。

耦合电容

背景

在实际应用中，常对放大电路的性能提出多方面的要求。例如，要求一个放大电路输入电阻大于1M ohms（1M欧姆），电压放大倍数大于2000，输出电阻小于100 ohms等。仅靠单级放大电路不能同时满足上述要求，则需选择多个基本电路，将它们合理连接构成多级放大电路。组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接成为级间耦合。多级放大电路的四种常见耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。

阻容耦合

定义
将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合方式。如图所示为两级阻容耦合放大电路，第一级为共射放大电路，第二级为共集放大电路。
直流特性
由于电容对于直流量（w=0）的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流量各不相通（直流开路），各级的静态工作点相互独立，在求解或实际调试Q点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行。
高频特性
只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端。（高频短路）
低频特性
电容对低频信号呈现出很大的容抗，信号的一部分甚至全部都衰减在耦合电容上，而不向后级传递。
实际问题
阻容耦合放大电路的低频特性差，不能放大缓慢的信号。而在集成电路中制造大容量电容很困难，甚至不可能，所以这种方式不便于集成化。
总结
耦合电容往往是把交流信号从一部分电路传递到另一部分电路的电容，往往是为了隔去直流信号。（隔直通交，不影响各级静态工作点）通常，只有在信号频率很高，输出频率很大的特殊情况下，才采用阻容耦合的方式。

极间电容

极间电容是指晶体管等栅极、源极、漏极、衬底任意二者之间存在的等效电容。从电路上看不到这个电容，是极间实际存在的电容效应的抽象。对比考虑极间电容与否的小信号模型：一般分析时考虑Cgs/Cgb、Cgd、Cdb/Cds，（需后面看到放大器的频率响应再坐补充如何选择考虑的电容）这些电容一般很难计算，一般从仿真结果文件中查询。

旁路电容、去耦电容

定义

旁路电容是可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路滤掉的电容。（短路高频）对同一电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除；而去耦（decoupling，也称退耦）电容是把输出信号的干扰作为滤除对象。旁路电容不是理论概念，而是一个经常使用的实用方法，去耦电容和旁路电容没有本质的区别。从去除电源的耦合噪声干扰的角度看,我们可以把电容称为去耦电容(Decoupling)。从为高频信号提供交流回路的角度考虑,我们可以称为旁路电容(By-pass)。而滤波电容则更多的出现在滤波器的电路设计里。

分立电容的特性

uF级电容
一般来说，电容为uF级的电容，像电解电容或钽电容，它的电感比较大，谐振频率比较小，对低频信号通过较好，而对高频信号，表现出较强的电感性，阻抗较大。（通低阻高）同时，大电容还可以起到局部电荷池的作用，可以减少局部的干扰，通过电源耦合出去。
0.0010.1uF电容
容量为0.0010.1uF的电容，一般为陶瓷电容或云母电容，电感小，谐振频率高，对高频信号的阻抗较小，可以为高频干扰信号提供一条旁路，减少外界对该局部的耦合干扰。（通高阻低，短路高频）

RLC串联电路的谐振

这部分是对上文电容的理解。对于RLC串联的电路，阻抗为Z(jw) = R + jwL + 1/jwC = R + j(wL - 1/wC)。谐振条件：X(jw) = j(wL - 1/wC) = 0，此时阻抗最小。则谐振频率 w。=1/sqrt(LC)，称为电路的固有频率。

w < w。: X( jw。) < 0, 容性区，limw->0 |Z( jw。)| = ∞
w = w。: X( jw。) = 0, 中性/电阻性，|Z( jw。)| = R
w > w。: X( jw。) > 0, 感性区，limw->∞ |Z( jw。)| = ∞

对上文辅助理解：
电容为uF级的电容，电感比较大，则谐振频率 w。=1/sqrt(LC) 比较小。在谐振频率（低频）附近，电路的阻抗较低，低频信号能比较好地通过电容（信号损耗在电容上的较少）；而对高频信号，有较大的感抗，高频信号不能很好地通过电容（信号损耗在电容上的较多）。（通低阻高）
对于0.001~0.1uF的电容，同理可得。