旁路電容的作用與應(yīng)用原理詳解

　　在基本電路里面，我想討論一下旁路電容。本文將講述旁路電容的作用，講述該在什么時(shí)候使用它們，以及你應(yīng)該注意什么以及旁路電容的作用。

　　在電子電路詞典里面可以找到旁路電容的定義：

　　Bypass capacitor： A capacitor employed to conduct an alternaTIng current around a component or group of components. Often the AC is removed from an AC/DC mixture， the DC being free to pass through the bypassed component.

　　旁路電容（bypass電容）：用于導(dǎo)通或者吸收某元件或者一組元件中交流成分的一種電容。通常交直流中的交流部分被去除，而允許直流部分通過加有旁路電容的元件。

　　實(shí)際上，大多數(shù)諸如微控制器（單片機(jī)）等的數(shù)字電路都是直流電路。這種電路里面的電壓水平的變化會(huì)造成很多問題。如果電壓變化太多，電路可能就會(huì)不正常地工作。對大多數(shù)情況來講，紋波電壓被認(rèn)為是交流成分，旁路電容的目的就是要抑制這種交流成分，抑制這種電壓噪聲。旁路電容的另外一種說法就是濾波電容。

　　在左邊的電路圖里面，你可以清楚地看到當(dāng)使用了濾波電容以后電壓噪聲的變化情況。注意到兩種電壓的波動(dòng)幅度的差別很?。ㄔ?到10毫伏）。這個(gè)圖里面的電壓是4.95~5.05V小幅電壓。隨機(jī)的電子噪聲造成電壓波動(dòng)，正如圖表里面顯示那樣，這種波動(dòng)的部分通常被稱為“噪聲”或者“紋波”。藍(lán)線代表的是沒有使用的濾波電容的電壓變化，粉紅色線是使用了濾波電容了的。紋波電壓在幾乎所有的直流電路里面都是存在的。在粉紅色曲線里面，即使使用了濾波電容以后電壓變化幅度變小了，但是“變化”還是存在的，電壓還是有紋波噪聲。旁路電容的重要功能就是要減小電路里面的紋波的幅值。太大的紋波是極其有害的，使得電路不正常工作。紋波通常又是隨機(jī)的，當(dāng)然有時(shí)候電路里面其他元器件也會(huì)發(fā)出噪聲。比如繼電器和電機(jī)經(jīng)常就能夠使電壓發(fā)生突然的波動(dòng)，簡直就像打破了池塘里面平靜的水面一樣。其它元器件使用的電流越大，這種紋波噪聲的效應(yīng)也就越明顯。

　　一個(gè)常見的問題就是這種小幅的紋波真的就那么值得注意么？是啊，電壓水平不是足夠精確了嗎？答案取決于你設(shè)計(jì)的電路類型。如果你的電路只是用來將電機(jī)連上一個(gè)電池，或著點(diǎn)亮一個(gè)LED，那么電路里頭的紋波恐怕對你來說并不要緊。但是，如果你在使用數(shù)字邏輯門電路，情況恐怕就不是那么簡單了，紋波肯定能夠給你的電路帶來麻煩。

　　首先讓我們來考慮一下紋波電壓造成的影響。基礎(chǔ)電子理論告訴我們電壓是勢能的差別所引起的，而電流在這種勢能的差別中流過；我們知道電壓越高，電流越大；我們還知道電壓的方向決定了電流的方向。

　　看看右邊的紋波電壓圖和紋波電流圖的放大圖。上面部分是兩個(gè)紋波電壓變化情況，和前一副圖相似，藍(lán)色的線代表沒有使用旁路電容，另一個(gè)是使用了旁路電容了的。 沿著該圖下面的橫軸看，在點(diǎn)2處電壓開始上升，而看看下面的紋波電流圖，點(diǎn)2處的電流在一個(gè)方向有相對較高的幅值，對比一下，點(diǎn)5處電壓和電流的方向是相反的。

　　注意這種有沒有旁路電容（bypass電容）時(shí)的差別。通過抑制紋波電壓，旁路電容同時(shí)也抑制了紋波電流。我想說紋波電壓圖和紋波電流圖很清晰地表達(dá)了交流成分的產(chǎn)生，也可以看到電壓是如何變化的，以及紋波電流是如何改變方向的。即使這是一個(gè)DC電路，紋波也引起了交流成分。旁路電容能夠減小AC組分。

　　紋波電流就像電路中的渦流或者回流，隨著電壓和電流在電路里頭的傳播，電壓差異和電流差異足以工作。比如，我們假定一個(gè)與門，其半導(dǎo)體門輸入端保持穩(wěn)定輸入而使得輸出保持在穩(wěn)定狀態(tài)，門電路里在電流沿著一個(gè)方向流經(jīng)一個(gè)PN結(jié)的時(shí)候工作，如果電流停止了流動(dòng)，晶體管也就關(guān)閉或者截止；如果紋波著相反的錯(cuò)誤方向流動(dòng)，門也就時(shí)常關(guān)閉，你得到的輸出也會(huì)跟著改變。由于一個(gè)門可能與其他許多門連在一的效應(yīng)會(huì)造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤。

　　總之，旁路電容是用于在DC電路里頭抑制AC成分的電容。通過使用旁路電容，你的DC電路將不會(huì)對紋波電壓和紋波電流那么感冒。

　　使用旁路電容（bypass電容）注意事項(xiàng)

　　你在許多期刊雜志和書籍里頭所看到的電路圖都省略了旁路電容。因?yàn)樗麄円詾槟阒涝摪阉鼈兗尤腚娐防镱^。而其他時(shí)候你或許會(huì)看到有一排電容藏在一個(gè)電路圖的角落里頭，似乎沒有什么作用。它們通常就是旁路（或者濾波）電容。你只要隨便翻開一個(gè)數(shù)字電路，都不難找到旁路電容的身影。

　　最?？吹脚月冯娙荩╞ypass電容）的身影的地方就是直接將電源和地連在一起的旁路電容。正如左邊圖示的那樣。這個(gè)簡單的使用會(huì)允許VCC里頭的AC成分直接導(dǎo)通到“地”GND。電容的作用也像蓄流一樣，當(dāng)電壓因某種原因下降時(shí) 充電電容溢出部分電流來填充VCC里面的坑坑洼洼的地方。電容量的大小就決定了它能填充多大的坑洼（電壓降），電容量越大能夠填充撫平的坑洼也越大。通常使用的是 .1uF的電容。你也可以看到 .01uF也是常有的電容值。追求旁路電容的精確值并沒有什么意義。

　　因此，你究竟需要多少旁路電容呢？我最笨的做法就是在我每一個(gè)電路板上的IC旁邊都有自己的旁路電容。實(shí)際上，我努力地將旁路電容的一頭和Vcc或者GND引腳接在一起。這可能有點(diǎn)矯枉過正，可是過去的這種做法一直都還感覺不錯(cuò)。因此我也向你推薦此法。事實(shí)上，你甚至可以在所有DIP封裝旁邊都使用旁路電容。我認(rèn)為你只要在每一平方英寸里面都有幾個(gè)旁路電容，你就可以省心許多了！

　　另外一個(gè)使用旁路電容（bypass電容）的地方就是在電源接頭處。每當(dāng)你使用一個(gè)電源線接上一個(gè)板子或者使用長導(dǎo)線的時(shí)候，我都建議你添加一個(gè)旁路電容。任何長度的導(dǎo)線都可以像一個(gè)小的天線一樣，它能夠從任何電磁場里面捕捉到電子噪聲。我通常在這種長線的兩端都加上旁路電容。

　　旁路電容的類型特別重要。建議你使用獨(dú)石瓷片電容。它們的體積小，便宜而且容易買到。我通常使用

　　管腳間距為.1英寸或者.2英寸，容量 0.1uF 耐壓50V精度為±20%的旁路電容；容量為.01uF的電容也行。我會(huì)避免使用大容量的旁路電容，因?yàn)樗麄兊膲K頭太大了。電解電容通常不適合作為旁路電容使用，因?yàn)樗麄兺ǔ６际谴笕萘浚覍Ω哳l響應(yīng)并不理想。

　　紋波的頻率可以決定使用什么容量的電容。最精明的辦法是，頻率越高所需旁路電容容量越小。如果你的電路里頭 有個(gè)高頻元器件，你或許可以考慮并聯(lián)使用一對電容，一個(gè)是大容量一個(gè)是小容量。如果你的電路里頭紋波非常復(fù)雜，你可以多加幾個(gè)旁路電容，每個(gè)電容對應(yīng)于不同的紋波頻率。你也可以加一個(gè)ElectrolyTIc capacitor以防低頻紋波的幅值太大了。比如，右圖中并聯(lián)使用了三個(gè)不同容量的電容，每一個(gè)都對一個(gè)頻率范圍的紋波噪聲起作用。C4是一個(gè)4.7uF電容，可以處理相對低頻的電壓紋波，C2可以處理中等頻率，C3可以處理稍高點(diǎn)的頻率，電容的響應(yīng)頻率由它的內(nèi)部阻抗和感抗決定的。

　　總結(jié)

　　旁路電容（bypass電容）能夠?yàn)V除電路里頭的電子噪聲，它們靠過濾由紋波電壓引起的交流成分 。大多數(shù)數(shù)字電路都有幾個(gè)旁路電容。最精明的辦法就是在板子上的每一個(gè)集成電路旁邊都使用旁路電容。旁路電容的常用容量數(shù)量級就是0.1uF。高頻紋波需要更小容量的電容。