耦合和解耦

什么是耦合电容？什么是去耦电路？

它是指耦合信号从第一级传输到第二级的过程。一般不指定时，常指交流耦合。

去耦是指对电源采取进一步的滤波措施，通过电源消除两级之间信号相互干扰的影响。耦合常数是指耦合电容值与第二级输入阻抗值的乘积所对应的时间常数。

去耦有三个目的:

1.去除电源中的高频纹波，通过电源相互串扰的方式切断多级放大器的高频信号。

2.大信号工作时，电路对电源的需求增加，造成电源波动。通过去耦降低电源波动对输入级/高压增益级的影响；

3.形成浮地或浮电源，完成复杂系统中地线或电源各部分的协调。有源器件开关时产生的高频开关噪声会沿着电力线传播。去耦电容的主要作用是为有源器件提供本地DC电源，从而减少开关噪声在板上的传输，并将噪声引导至地。

引自Lund Quan的文章《电路板级的电磁兼容设计》，里面很好的讲了噪声耦合和路径、去耦电容、旁路电容的使用。看吧。

干涉耦合模式

干扰源产生的干扰信号通过一定的耦合通道对电控系统造成电磁干扰。干扰的耦合方式无非是通过导线、空和公共线路作用于电控系统。

分析主要包括以下内容。

直接耦合:这是干扰入侵最直接的方式，也是系统中最常见的方式。如果干扰信号通过导线直接侵入系统，就会对系统造成干扰。对于这种耦合方式，可以采用滤波解耦的方法来有效抑制传入的电磁干扰信号。

共阻抗耦合:这也是一种常见的耦合方式。两个电路的电流有一个共同的通路是常有的事。公共阻抗耦合包括公共接地和电源阻抗。为了防止这种耦合，耦合阻抗应该接近零，这样干扰源和被干扰对象之间就没有公共阻抗。

容性耦合:又称电场耦合或静电耦合，是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。

电磁耦合:又称磁场耦合。因为是内部或外部空之间电磁场感应的耦合方式，所以防止这种耦合的常用方法是对易受干扰的器件或电路进行屏蔽。

辐射耦合:电磁场的辐射也会引起干扰耦合，这是一种随机干扰。这种干扰很容易通过电力线传输到系统中。当信号传输线较长时，可以辐射和接收干扰波，这就是所谓的大线效应。

泄漏耦合:所谓泄漏耦合就是阻性耦合。这种干扰经常发生在绝缘降低的时候。我记得我之前的观点:去耦电容一般容量较大，意思是避免噪声耦合到其他器件；旁路电容很小，提供低阻抗噪声返回路径。其实这种说法并没有什么大的错误。但我查阅相关资料后发现，解耦和旁路其实根本没有区别，两个文佳学会的百科全书可以互换书名。两者的功能都很俗:作为电源使用。

所谓的噪声，其实就是电源的波动，它来自于两个方面:电源本身的波动，负载对电流需求的变化引起的电压波动和供电系统相应容量的差异。去耦电容和旁路电容与负载变化引起的噪声有关。所以没必要区分他们两个。其实电容的大小和数量是有理论依据的。如果随意选择，在某些情况下可能会遇到去耦电容(旁路)和分布参数的自激振荡。所以真正的解耦和旁路都是基于负载和供电系统的实际情况。没必要做区分，也没有本质区别。

它是电容板设计中必不可少的元件，它的好坏已经成为我们评判板质量的一个非常重要的方面。

①电容器的功能和表达。

它由两个金属极和夹在其间的绝缘介质组成。电容的主要特点是DC交流阻断，所以多用于级间耦合、滤波、去耦、旁路和信号调谐。电容由“C”加上电路中的一个数字表示，如C8，表示电路中编号为8的电容。

②电容器的分类。

电容分为气体介质电容器、液体介质电容器、无机固体介质电容器和有机固体介质电容器。按极性可分为极性电容和非极性电容。按结构可分为固定电容、可变电容和微调电容。

③电容器容量。

电容表示可以储存的电能数量。电容对交流信号的阻断作用称为容抗，与交流信号的频率和电容有关。容抗XC=1/2f c (f代表交流信号的频率，C代表电容)。

④电容器的容量单位和耐压。

电容的基本单位是F(法)，其他单位有毫米法(mF)、微米法(uF)、纳米法(nF)、皮法(pF)。因为单位F的容量太大，所以我们通常看到的是F，nF，pF的单位。换算关系:1f = 100000f，1f = 1000nf = 100000pf。

每个电容器都有它的耐压值，用v表示，一般无极电容器的标称耐压比较高:63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。极性电容器的耐压相对较低。一般标称耐压为4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。

⑤电容的标注方法和容量误差。

电容的标注方法分为:直接标注、彩色标注和数字标注。对于体积较大的电容器，通常采用直接定标法。如果是0.005，则表示0.005uF=5nF。如果是5n，就是5nF。

数字法:一般用三位数表示容量，前两位是有效数字，第三位是10的幂。比如102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示10x10x10 PF。\\ n \\ n \\颜色编码法，沿电容器引线方向，不同的数字用不同的颜色表示。第一个和第二个环表示电容，第三种颜色表示有效数字后的零的数量(单位为pF)。用颜色表示的值是:黑色=0，棕色=1，红色=2，橙色=3，黄色=4，绿色=5，蓝色=6，紫色=7，灰色=8，白色=9。

电容误差用符号F、G、J、K、L、M表示，允许误差分别为1%、2%、5%、10%、15%、20%。

⑥区分并测量电容的正负极。

电容器上标记的黑色块是负极。PCB上电容位置有两个半圆，彩色半圆对应的管脚就是负极。区分正极和负极引脚的长度也很有用。长腿为正，短腿为负。

当我们不知道电容器的正负极时，可以用万用表测量。电容器两极之间的介质不是绝对绝缘体，其电阻也不是无穷大，而是一个有限值，一般在1000兆欧以上。电容器两极之间的电阻称为绝缘电阻或泄漏电阻。只有当电解电容的正极接正电源(电气阻断时黑色探针)，负极接负电源(电气阻断时红色探针)时，电解电容的漏电流才小(漏电阻大)。反之，电解电容漏电流增大(漏电阻减小)。这样我们先假设某极是“+”极，万用表选择R*100或者R*1K挡。然后，将假定的“+”极与万用表的黑色表笔连接，另一极与万用表的红色表笔连接。记下指针停止的刻度(指针向左的阻力大)。对于数字万用表，读数可以直接读取。然后将电容器放电(接触两根导线)，然后切换两个探针，重新测量。在两次测量中，当仪表指针的最后一个位置向左时(或者电阻值较大)，黑色的仪表探针接在电解电容的正极。\\n\\n⑦电容器使用的一些经验和四个误区。

经验:在无法确定电路极性时，建议使用无极电解电容。通过电解电容器的纹波电流不应超过其允许范围。如果超过规定值，应选择纹波电流大的电容。电容器的工作电压不能超过其额定电压。焊接电容器时，烙铁应与电容器的塑料外壳保持一定距离，以防塑料外壳因过热而开裂。且焊接时间不得超过10秒，焊接温度不得超过260摄氏度。

四个误区:

●电容越大越好。

很多人在电容器的更换中，往往喜欢使用大容量的电容器。我们知道虽然电容越大，IC的电流补偿能力越强。且不说电容的增加会增加体积，增加成本，还会影响空气流和散热。关键在于电容上的寄生电感，电容放电电路会在某个频率点谐振。在谐振点，电容器的阻抗很小。所以放电回路的阻抗最小，补充能量的效果最好。然而，当频率超过谐振点时，放电电路的阻抗开始增加，电容器的电流供应能力开始下降。电容器的电容量越大，谐振频率越低，电容器能有效补偿电流的频率范围越小。从保证电容提供高频电流的容量的角度出发，认为电容越大越好是错误的。对一般电路设计有参考价值。

●同样容量的电容，并联的小电容越多越好。耐压值、耐温值、电容值和ESR(等效电阻)是电容器的几个重要参数。自然ESR越低越好。

它与电容器的容量、频率、电压和温度有关。电压固定时，容量越大，ESR越低。使用多个小电容并联是PCB空之间的限制，所以有人认为并联的小电阻越多，ESR就会越低，效果就会越好。理论上确实如此，但考虑到电容引脚焊点的阻抗，几个小电容并联的效果不一定突出。

●ESR越低，效果越好。

结合我们上面改进的电源电路，输入电容的容量大于输入电容的容量。相对于容量的要求，ESR的要求可以适当降低。因为输入电容主要是耐压，其次是吸收MOSFET的开关脉冲。至于输出电容，可以适当降低耐压要求和容量。ESR要求稍高，因为这里需要足够的电流吞吐量。不过这里需要注意的是，ESR越低越好。低ESR电容会引起开关电路的振荡。但是，减振电路的复杂性会导致成本的增加。在板卡设计中，这里一般有一个参考值，作为元器件选择参数，避免减振电路带来的成本增加。

●电容好代表质量高。

“唯电容论”曾经盛极一时，一些厂商和媒体也刻意将其作为卖点。在电路板设计中，电路设计的水平是关键。就像有的厂商用两相电源可以做出比有的厂商用四相电源更稳定的产品一样，盲目使用高价电容也不一定能做出好产品。衡量一个产品，一定要全方位多角度的考虑，不能有意无意的夸大电容的作用。

向上拉，向下拉

上拉电阻:

1.当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V)，那么就需要在TTL的输出端连接一个上拉电阻来提高输出高电平。

2.OC门电路必须添加一个拉电阻才能使用。

3.为了增加输出引脚的驱动能力，一些单片机的引脚上经常使用上拉电阻。

4.在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能挂空。通常，连接上拉电阻是为了降低输入阻抗，并提供负载释放路径。

5.芯片的管脚增加了拉脱电阻，提高了输出电平，从而提高了芯片输入信号的噪声容限，增强了抗干扰能力。

6.提高总线的抗电磁干扰能力。Pin 空更容易接受外界电磁干扰。

7.长线传输中电阻不匹配容易造成反射波干扰，下拉电阻为电阻匹配，有效抑制反射波干扰。

上拉电阻的选择原则包括:

1.它应该足够大，以节省功耗和芯片的当前填充容量；高电阻和低电流。

2.它应该足够小，以保证足够的驱动电流；低电阻，高电流。

3.对于高速电路，过大的上拉电阻可能会使边沿变平。统筹兼顾

以上三点通常选择在1k到10k之间。下拉电阻也是如此。

上拉电阻和下拉电阻的选择应结合开关管的特性和下级电路的输入特性进行设置，主要考虑以下因素:

1.驱动能力和功耗的平衡。以上面的上拉电阻为例。一般来说，上拉电阻越小，驱动能力越强，但功耗越大。设计要注意两者的平衡。

2.下层电路的驱动要求。以上拉电阻为例。当输出电平较高时，开关管关断，应适当选择上拉电阻，为下一级电路提供足够的电流。

3.高低电平设置。不同电路的阈值电平会有所不同，要适当设置电阻，保证能输出正确的电平。以上拉电阻为例。输出电平低时，开关管导通，要保证上拉电阻的分压值和开关管的导通电阻低于零电平阈值。

4.频率特性。以上拉电阻为例。上拉电阻与开关管漏源级之间的电容和下电路之间的输入电容会形成RC延迟。阻力越大，延迟越大。上拉电阻的设置要考虑电路在这方面的需求。

设置下拉电阻的原理与设置上拉电阻的原理相同。

OC门输出高电平时为高阻态，其上拉电流由上拉电阻提供。假设输入端每个端口大于100uA，输出端口的驱动电流约为500uA，标准工作电压为5V，输入端口的高低电平阈值为0.8V(低于此值为低电平)。2V(高电平阈值)。

上拉电阻时:

500uA x 8.4K= 4.2，即大于8.4K时，输出可以下拉到0.8V以下，这是最小电阻值，不能再下拉了。如果输出端口的驱动电流较大，可以降低电阻值，保证下拉时可以低于0.8V。

当输出电平较高时，忽略管道的漏电流，两个输入口需要200uA。

200uA x15K=3V意味着上拉电阻压降为3V，输出端口可以达到2V。这个电阻是最大电阻，拉不到2V以上。选择10K可用。COMS门可以参考74HC系列。

在设计的时候，管道的漏电流是不能忽略的，IO口的实际电流在不同的级别也是不同的。以上只是原理。一句话，可以总结为:输出高电平时给后输入口馈电，输出低电平时不要给输出口馈电(否则多余的电流会给级联的输入口馈电，高于低电平阈值就不可靠了)

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