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旁路电容谐振

时间:2018-11-13 作者:John Dunn 阅读:
物理电容器是串联谐振电路,它具有串联谐振频率及受串联电阻影响的串联谐振“Q”值。对于电激励来说,电容器会在低于其串联谐振频率的任何频率下呈现出基本的容抗,而在高于其串联谐振频率的任何频率下呈现出基本的感抗。本文利用SPICE和一些数字,深入研究了这个问题。

理想电容只存在于教科书中。现实世界的每个电容都会因其物理结构而变得更加复杂。由介电层隔开的两个板与导线或金属箔串联,即可实现实际的连接。这两个金属导体会引入等效串联电感(ESL),以及等效串联电阻(ESR)。总而言之,物理电容就是一种串联谐振电路,具有串联谐振频率以及受串联电阻影响的串联谐振因子“Q”。

电容并不仅仅局限于其字面意思。在低于其串联谐振的频率下,电容会对电激励表现出容性阻抗。而在高于其串联谐振的频率下,它对电激励表现出感性阻抗。

关于宽带轨电压旁路,一个传统的观点认为应该使用不同容量的电容并联组合。常见的并联组合阵容包括:一个大容量的铝或钽电解电容C1;一个大容量的陶瓷电容C2;一个小容量的陶瓷电容C3;电路板的布线电容,称之为C4;以及天知道从哪里来的电容,比如线束电容和/或半导体器件电容,称统为C5。

请记住,这五个电容中的每一个都不是单独的电容,而是一个串联组合,包括电容、电感和电阻。总之,它们由串联的RLC电路构成,将在串联谐振频率(SRF)处表现出串联谐振,其中SRF=1/(2π√ (LC))。对于如上所述并联连接的五个电容的组合,将会有五个串联谐振频率,并且还会有四个并联谐振频率,如图1所示。

DI5-F1-201811.jpg
图1:5个并联电容的9个谐振频率。

四个较小的电容C2~C5在四个频率处进入并联谐振状态,这四个频率略低于它们各自的串联谐振频率。然而,C1并没有任何并联谐振,因为该电容没有任何感应可以产生并联谐振效应。

使用SPICE和一些示例数字,我们可以深入研究这一问题,如图2所示。

DI5-F2-201811.jpg
图2:SPICE中5个电容的并联旁路。

此处显示的阻抗测量方法在文章“在SPICE中进行阻抗测量”中有详细描述。

对于这五个电容,将有五个串联自谐振频率,即SRF1、SRF2、SRF3、SRF4和SRF5,其中每一个电容都在其自身的SRF处阻抗最小。但是,不可避免地,在频率PRF2、PRF3、PRF4和PRF5处会产生四个总阻抗的并联谐振峰值。

PRF2源于C2~C5组合的容抗与C1感抗之间的并联关系。类似地,PRF3来自C3~C5的组合容抗与C1~C2的组合感抗之间的并联关系,而PRF4来自C4~C5对C1~C3的并联关系,最后,PRF5来自C5对C1~C4的并联关系。

五个阻抗零点和四个阻抗峰值都受到电阻值的影响,图3给出了一个示例。请注意,并联谐振频率本身不能完全消除,并联谐振将永远存在,你必须考虑到这一点。

DI5-F3-201811.jpg
图3:ESR的阻抗曲线变化。

注意:这个问题首先在一个项目中引起我的注意,其中一个门控阵列的时钟频率为16MHz,结果一些并联轨旁路电容的并联谐振频率也是16MHz。很难说这会发生什么结果,请读者朋友们自己想象吧。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Bypass capacitor resonances。)

《电子技术设计》2018年11月刊版权所有,禁止转载。
 

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John Dunn
John Dunn是资深电子顾问,毕业于布鲁克林理工学院(BSEE)和纽约大学(MSEE)。
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