电容的应用

目录：

第一章：电容

第二章：电容的种类（主板）

第三章：去耦电容和旁路电容

第四章：高速信号中耦合电容的应用

第五章：HDMI、EDP、LVDS、PCIE、SATA、USB3.0等加AC耦合电容问题综合概述

第六章：PCB上AC耦合电容的优化设计

第七章：AC耦合电容的选择

第一章：电容

1.1 电容分类

常见的电容材质有：Y5V，X5R，X7R，NPO(COG)

常见的耐压值有：6.3V，10V，16V，25V，50V

陶瓷电容CCAP	钽电容TCAP	高分子电容POSCAP	铝电解电容SCAP
0201
0402
0603
0805	3216（A）
1206	3528（B）
	6032（C）
	7343（D）
线路设计时应该注意，POSCAP是有极性的电容器，反向电压会造成漏电流加大或短路。另外，POSCAP即使在规范、规定的条件内进行回流焊，焊接后的漏电流也有可能变大。不施加电压的高温无负荷周期试验等也会引起漏电流加大，因此规定禁止在保持高阻抗线路、耦合线路、定时线路、漏电流会带来大的影响的线路、超出额定电压的串联线路使用				注意事项 POSCAP的构造基本上与普通钽电解电容器相同，最大的不同是电解质采用了导电性高分子材料

第二章：电容的种类（主板）

1、滤波电容：它接在直流电压的正负极之间，以滤除直流电源中不需要的交流成分，使直流电平滑，通常采用大容量的电解电容，也可以在电路中同时并接其它类型的小容量电容以滤除高频交流电。
2、退耦电容：并接于放大电路的电源正负极之间，防止由电源内阻形成的正反馈而引起的寄生振荡。
3、旁路电容：在交直流信号的电路中，将电容并接在电阻两端或由电路的某点跨接到公共电位上，为交流信号或脉冲信号设置一条通路，避免交流信号成分因通过电阻产生压降衰减。
4、耦合电容：在交流信号处理电路中，用于连接信号源和信号处理电路或者作为两放大器的级间连接，用于隔断直流，让交流信号或脉冲信号通过，使前后级放大电路的直流工作点互不影响。
5、调谐电容：连接在谐振电路的振荡线圈两端，起到选择振荡频率的作用。
6、衬垫电容：与谐振电路主电容串联的辅助性电容，调整它可使振荡信号频率范围变小，并能显著地提高低频端的振荡频率。
7、补偿电容：与谐振电路主电容并联的辅助性电容，调整该电容能使振荡信号频率范围扩大。
8、中和电容：并接在三极管放大器的基极与发射极之间，构成负反馈网络，以抑制三极管极间电容造成的自激振荡。
9、稳频电容：在振荡电路中，起稳定振荡频率的作用。
10、定时电容：在RC时间常数电路中与电阻R串联，共同决定充放电时间长短的电容。
11、加速电容：接在振荡器反馈电路中，使正反馈过程加速，提高振荡信号的幅度。
12、缩短电容：在UHF高频头电路中，为了缩短振荡电感器长度而串联的电容。
13、克拉波电容：在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈串联的电容，起到消除晶体管结电容对频率稳定性影响的作用。
14、锡拉电容：在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈两端并联的电容，起到消除晶体管结电容的影响，使振荡器在高频端容易起振。
15、稳幅电容：在鉴频器中，用于稳定输出信号的幅度。
16、预加重电容：为了避免音频调制信号在处理过程中造成对分频量衰减和丢失，而设置的RC高频分量提升网络电容。
17、去加重电容：为了恢复原伴音信号，要求对音频信号中经预加重所提升的高频分量和噪声一起衰减掉，设置RC在网络中的电容。
18、移相电容：用于改变交流信号相位的电容。
19、反馈电容：跨接于放大器的输入与输出端之间，使输出信号回输到输入端的电容。
20、降压限流电容：串联在交流回路中，利用电容对交流电的容抗特性，对交流电进行限流，从而构成分压电路。
21、逆程电容：用于行扫描输出电路，并接在行输出管的集电极与发射极之间，以产生高压行扫描锯齿波逆程脉冲，其耐压一般在1500伏以上。
22、S校正电容：串接在偏转线圈回路中，用于校正显象管边缘的延伸线性失真。
23、自举升压电容：利用电容器的充、放电储能特性提升电路某点的电位，使该点电位达到供电端电压值的2倍。
24、消亮点电容：设置在视放电路中，用于关机时消除显象管上残余亮点的电容。
25、软启动电容：一般接在开关电源的开关管基极上，防止在开启电源时，过大的浪涌电流或过高的峰值电压加到开关管基极上，导致开关管损坏。
26、启动电容：串接在单相电动机的副绕组上，为电动机提供启动移相交流电压，在电动机正常运转后与副绕组断开。
27、运转电容：与单相电动机的副绕组串联，为电动机副绕组提供移相交流电流。在电动机正常运行时，与副绕组保持串接。

第三章：去耦电容和旁路电容
  在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，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）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。

原理

去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻，这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。

3.1 旁路电容Bypass Capacitor

电容的一个重要的电器特性是"通交流，隔直流"，其电抗的计算公式如下:

 

旁路电容的作用就是将系统中的高频噪声旁路到GND。一般是在电源引脚和GND之间并联一些容值较小的（典型值0.1uF）电容，如图 2所示，用于将高频噪声短路到GND，从而避免噪声进入器件的供电引脚。

 

滤除高频噪声是旁路电容最主要的功能，但是如果考虑一下电容是如何完成这个功能的，或者说电容是如何做到通交流，隔直流的。其实本质也是电容作为一个电能的储能器件，在两极板间电压差很快增大时，给电容充电；电压差减小时，电容放电。从这个角度分析的话，旁路电容也可以看成一种小的电能储存器（Energy Reservoir），

2.去耦电容De-coupling Capacitor

第四章：高速信号中耦合电容的应用

4.1 交流耦合与直流耦合

• 交流耦合(AC Coupling)：就是通过隔直电容耦合，去掉了直流分量
• 直流耦合(DC Coupling)：就是直流、交流一起过，不去掉直流分量。
  • 比如在3V的直流电平上叠加一个1Vpp的弦波，如果用直流耦合，看到的是以3V为基准，+/-0.5V的正弦波；如果用交流耦合，看到的是以0V为基准，+/-0.5V的正弦波

 

4.2.为什么高频需要AC耦合电容

4.2.1 AC电容耦合的好处

(1) 主要就是提供直流偏压，改善了噪声容限。

(2) 使用电容耦合，可以让前后级电路的直流通路阻断，从而使选择静态工作点方便

4.2.2 什么情况下需要AC耦合电容

一般当我们连接有不同的供电电压的两个系统时或者支持热插拔时，高速信号可能会采用电容耦合的方式。

例如采用AC耦合总线：DP、   EDP  、HDMI、PCIE、USB、SATA

4.2.3 直接耦合

高频直接耦合的也很多，例如：PEG(显卡)、DMI、MIPI就是直接耦合；简言之，在需要隔离直流分量时用电容

第五章：HDMI、EDP、LVDS、PCIE、SATA、USB3.0等加AC耦合电容问题综合概述

5.1  USB3.0的TX信号AC加耦合电容，为什么USB2.0上面不加AC耦合电容呢?

USB3.0、USB3.1都是有数据编码的，数据是连续的，采用AC耦合可以更好抑制共模噪声。USB2.0要兼容原来的1.0和1.1，正负线上有同时为高或为低的状态，不能用AC耦合。

5.2为什么PCIE3.0和USB3.0的RX不加AC耦合电容呢？

其实看下图主板RX端也要加AC耦合电容的，根据规范要求各个Device在TX发送端都要加AC耦合电容,所以主板RX对应的U盘的TX端其实也加了AC耦合电容

 

 

5.3 AC耦合电容摆放的位置

电容看成一个阻抗不连续点（所以要求尽量跟传输线匹配），如果靠近接收端放，相同的反射系数下，信号经过通道衰减之后再反射会比一开始就反射的能量小。所以大多数的串行链路都要求靠接收端放，使用ADS 仿真也可以发现放在接收端眼图质量要好。另外，在信号传输过程中，也可能串扰进去一
些直流分量，导致接收出问题，所以对于高速差分信号（要求交流）一般在接收端加入耦合电容。耦合电容容值标准上有要求，太大太小都不好。
2、在SATA 信号传输的过程中会有衰减,传的距离越长衰减会越厉害,所以会给他一个载波(也就是直流分量),在进入IC 或者SATA device 后再用串电容的方法把直流分量滤掉,这样做会有比较好的信号质量，也就是隔直作用。
3、PCIE 放在发送端是协议规定的， 记得放在近端TX 是给detector 做充电检测device 用的。
4、有人又问了，可是为什么PCIE 是要求放发送端啊？其实仔细看PCIE 规范是说如果是两块板连接时，要发在发送的那块板上，且靠近连接器处。如果发送接收在同一块板上，那就靠近各自的接收端
最后，总结一下ac 耦合电容摆放注意事项：
1.按照design guideline 要求放置
2.没有guideline，如果是IC 到IC，请靠近接收端放置
3.如果是IC 到连接器，请靠近连接器放置
4.尽可能选择小的封装尺寸，减小阻抗不连续

5.电容的ESR ESL（特别重要）尽量小。

 

 

5.4 AC耦合电容摆放位置实验对比

在低速电路设计中，这颗电容可以等效成理想电容。而在高频电路中，由于寄生电感的存在以及板材造成的阻抗不连续性，实际上这颗电容不能看作是理想电容。这里信号频率2.5G，通道长度4000mil，AC耦合电容的位置分别在距离发送端和接收端200mil的位置。我们看一下仿真出的眼图的变化。

 

图1：AC耦合电容靠近发送端的眼图

 

图2：AC耦合电容靠近接收端的眼图

显然，这颗AC耦合电容靠近接收端的时候信号的完整性要好于放在发送端。我的理解是这样的，非理想电容器阻抗不连续，信号经过通道衰减后反射的能量会小于直接反射的能量，所以绝大多数串行链路要求这颗AC耦合电容放在接收端。但也有例外，笔者之前做板对板连接时遇到过这个问题，查PCIE规范发现如果是两个板通常放置在发送端上，此时还利用到了AC耦合电容的另外一个作用——过压保护。比如说SATA，所以通常要求靠近连接器放置。

解决了放置的问题，另一个困扰大家的就是容值的选取了。这样说，我们的整个串行链路等效出的电阻R是固定的，那么AC耦合电容C的选取将会关系到时间常数（RC），RC越大，过的直流分量越大，直流压降越低。既然这样，AC耦合电容可以无限增大吗？显然是不行的。

 

图3：AC耦合电容增大后测量到的眼图

同样的位置，与图2相比可以看出增大耦合电容后，眼高变低。原因是“高速”使电容变的不理想。感应电感会产生串联谐振，容值越大，谐振频率越低，AC耦合电容在低频情况下呈感性，因此高频分量衰减增大，眼高变小，上升沿变缓，相应的JITTER也会增大。通常建议AC耦合电容在0.01uf~0.2uf之间，项目中0.1uf比较常见。推荐使用0402的封装

第六章：PCB上AC耦合电容的优化设计

再从PCB设计上分析一下这颗电容的优化设计。实际在项目中，与AC耦合电容的位置、容值大小这些可见因素相比，更加难以捉摸的是板材本身（包括焊盘的精度、铜箔的均匀度等）以及焊盘处的寄生电容对信号完整性的影响。我们知道，高频信号必须沿着有均匀特征阻抗的路径传播，如果遇到阻抗失配或者不连续的情况时，部分信号会被反射回发射端，造成信号的衰减，影响信号的完整性。项目中，这种情况通常会出现在焊盘或者是板载连接器处。 

解决这个问题要从两个方面入手。

（1）首先在板材的选取上，我们在应用中通常选用高性能的ROGERS板材，罗杰斯的板材在铜箔厚度的控制上非常精确，均匀的铜箔覆盖大大降低了阻抗的不连续性。

（2）镂空处理：然后在消除焊盘处的寄生电容上，业内常见的办法是在焊盘处做隔层处理（挖空位于焊盘正下方的参考平面区域，在内层创建铜填充），通过增大焊盘与其参考平面（或者是返回路径）之间的距离，减小电容的不连续性。原理是：电容的PAD较走线宽，阻抗小，增加参考平面距离，增大阻抗使阻抗匹配。

6.1隔层处理前后实验对比
通过仿真对比一下ROGERS板材做精确隔层处理前后的信号完整性。

图6-1：做隔层处理前的TDR

 

图6-2：做隔层处理后的TDR

 

图6-1图6-2对比，发现未处理之前阻抗的跳跃很明显，隔层处理后的阻抗改善很多，几乎没有任何阶跃与不连续。

 

 

图6-3：做隔层处理前的回波损耗

图6-4：做隔层处理后的回波损耗

图6-3图6-4对比，在用ROGERS板材做隔层处理之后，相比未做隔层处理回波损耗下降到-30dB之内，大大降低了回波损耗，保证了信号传输的完整。

我的

第七章：AC耦合电容的选择

6.1通用建议：

(1) USB3.0:100Nf

(2) DP/ HDMI：AC耦合电容值范围75—200nF，建议100nF；

(3) PCIE Gen2： AC耦合电容值范围75—200nF，建议100nF；

(4) PCIE Gen3：AC耦合电容值范围176—265nF，建议220nF；

(5) SATA：10nF

 

6.2   理论计算：

首先要看电容的频率、温度等特性并且选择低ESR/ESL的电容。对于电容值的选择是要通过计算来选的，如下所示：

 

这里的F是截止频率（定义电压为输入电压的0.707倍时的频率），R是传输线的阻抗，C是AC耦合电容。

当然在选择电容时，其通带的最小频率要比传输信号的最小频率要小才好，假设信号的最小频率为Fmin，则频率值为F：

F=Fmin/20

当取值为F时，99.88%的信号均会通过。

前面介绍了，虽然AC耦合电容有其好处，也会导致边沿变缓慢，放置AC耦合电容时，会引起阻抗的变化，就存在一个阻抗不连续点。同时，也会引入码型相关抖动，即当电路传输的信号中出现连续的“1”或“0”时，会出现下图所示的直流电平压降，这就会影响眼高。

 

如何才能减小这个直流压降降低呢？

这和RC时间常数有关，RC值越大(充电时间越长，单位时间电容充电少，分压小)，能通过的直流分量就越多直流压降越小。由于链路中等效电阻是相对固定的，只能调节耦合电容值了。如下图所示电容值越大，压降越小。

      紫色的电容值最大，红色的电容值次之，粉色的电容值最小。

那我们就把电容无限加大吧！

答案是：No，不行！因为，实际安装后的电容不是理想电容，除了ESR,ESL，还有安装电感，所以就存在一个串联谐振频率。电容在串联谐振频率之前呈容性，之后呈感性。如下图所示：

 

电容值越大，谐振频率越小，电容在较低频率就会呈现感性，这样会造成信号高频分量衰减增大，同样会使眼高减小，上升沿变缓，jitter增加。

所以选择AC耦合电容时要综合以上两点考量，一般业界都推荐0.01uF~0.2uF，最常见的就是0.1uF的电容。对于电容封装的选择不建议使用大于0603的封装，最好是0402的，或者更小。