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一、去耦电容在电源设计中的应用
电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。其实，作为一款优秀的设计，电源设计应当是很重要的，它很大程度影响了整个系统的性能和成本。
这里，只介绍一下电路板电源设计中的电容使用情况。这往往又是电源设计中最容易被忽略的地方。很多人搞ARM，搞DSP，搞FPGA，乍一看似乎搞的很高深，但未必有能力为自己的系统提供一套廉价可靠的电源方案。这也是我们国产电子产品功能丰富而性能差的一个主要原因。
言归正转，先给大家介绍一下电容。
大家对电容的概念大多还停留在理想的电容阶段，一般认为电容就是一个C。却不知道电容还有很多重要的参数，也不知道一个1uF的瓷片电容和一个1uF的铝电解电容有什么不同。实际的电容可以等效成下面的电路形式：
C：电容容值。一般是指在1kHz，1V 等效AC电压，直流偏压为0V情况下测到的，不过也可有很多电容测量的环境不同。但有一点需注意，电容值C本身是会随环境发生改变的。
ESL：电容等效串联电感。电容的管脚是存在电感的。在低频应用时感抗较小，所以可以不考虑。当频率较高时，就要考虑这个电感了。举个例子，一个0805封装的0.1uF贴片电容，每管脚电感1.2nH，那么ESL是2.4nH，可以算一下C和ESL的谐振频率为10MHz左右，当频率高于10MHz，则电容体现为电感特性。
ESR：电容等效串联电阻。无论哪种电容都会有一个等效串联电阻，当电容工作在谐振点频率时，电容的容抗和感抗大小相等，于是等效成一个电阻，这个电阻就是ESR。因电容结构不同而有很大差异。铝电解电容ESR一般由几百毫欧到几欧，瓷片电容一般为几十毫欧，钽电容介于铝电解电容和瓷片电容之间。
下面，我们看一些X7R材质瓷片电容的频率特性：
当然，电容相关的参数还有很多，不过，设计中最重要的还是C和ESR。
下面，简单介绍一下我们常用到的三种电容：铝电解电容、瓷片电容、钽电容。
1）铝电容是由铝箔刻槽氧化后再夹绝缘层卷制，然后再浸电解质液制成的，其原理是化学原理，电容充放电靠的是化学反应，电容对信号的响应速度受电解质中带电离子的移动速度限制，一般都应用在频率较低（1M 以下）的滤波场合，ESR主要为铝萡电阻和电解液等效电阻的和，值比较大。
铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。温度每升高10度，电解电容的寿命会减半。如果电容在室温27 度时能使用10000小时的话，57度的环境下只能使用1250小时。所以铝电解电容尽量不要太靠近热源。
2）瓷片电容存放电靠的是物理反应，因而具有很高的响应速度，可以应用到上G的场合。不过，瓷片电容因为介质不同，也呈现很大的差异。
性能最好的是C0G材质的电容，温度系数小，不过材质介电常数小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材质，这种材质介电常数大，所以容值能做到几十微法。但是这种材质受温度影响和直流偏压（直流电压会致使材质极化，使电容量减小）影响很严重。
下面，我们看一下C0G、X5R、Y5V三种材质电容受环境温度和直流工作电压的影响。
可以看到，C0G的容值基本不随温度变化，X5R稳定性稍差些，而Y5V材质在60度时，容量变为标称值的50%。
可以看到50V 耐压的Y5V 瓷片电容在应用在30V 时，容量只有标称值的30%。陶瓷电容有一个很大的缺点，就是易碎。所以需要避免磕碰，尽量远离电路板易发生形变的地方。 3）钽电容无论是原理和结构都像一个电池。下面是钽电容的内部结构示意图：
钽电容拥有体积小、容量大、速度快、ESR低等优势，价格也比较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小。颗粒越细可以得到越大的电容，而如果想得到较大的耐压就需要较厚的Ta2O5，这就要求使用颗粒大些的钽粉。所以体积相同要想获得耐压高而又容量大的钽电容难度很大。
钽电容需引起注意的另一个地方是：钽电容比较容易击穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。这在使用超大容量钽电容时需考虑（比如1000uF 钽电容）。
从上面可以了解到，不同的电容有不同的应用场合，并不是价格越高越好。
接下来，讲一下电源设计中电容的作用。
在电源设计应用中，电容主要用于滤波（filter）和退耦/旁路（decoupling/bypass）。滤波主要指滤除外来噪声，而退耦/旁路（一种，以旁路的形式达到退耦效果，以后用“退耦”代替）是减小局部电路对外的噪声干扰。很多人容易把两者搞混。下面我们看一个电路结构：
图中开关电源为A和B供电。电流经C1 后再经过一段PCB 走线（暂等效为一个电感，实际用电磁波理论分析这种等效是有误的，但为方便理解，仍采用这种等效方式。）分开两路分别供给A 和B。
开关电源出来的纹波比较大，于是我们使用C1对电源进行滤波，为A和B提供稳定的电压。C1需要尽可能的靠近电源放置。C2和C3均为旁路电容，起退耦作用。当A在某一瞬间需要一个很大的电流时，如果没有C2 和C3，那么会因为线路电感的原因A端的电压会变低，而B端电压同样受A端电压影响而降低，于是局部电路A的电流变化引起了局部电路B的电源电压，从而对B电路的信号产生影响。同样，B的电流变化也会对A 形成干扰。这就是“共路耦合干扰”。
增加了C2后，局部电路再需要一个瞬间的大电流的时候，电容C2可以为A暂时提供电流，即使共路部分电感存在，A端电压不会下降太多。对B的影响也会减小很多。于是通过电流旁路起到了退耦的作用。
一般滤波主要使用大容量电容，对速度要求不是很快，但对电容值要求较大。一般使用铝电解电容。浪涌电流较小的情况下，使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。从上面的例子我们可以知道，作为退耦的电容，必需有很快的响应速度才能达到效果。如果图中的局部电路A 是指一个芯片的话，那么退耦电容要用瓷片电容，而且电容尽可能靠近芯片的电源引脚。
而如果“局部电路A”是指一个功能模块的话，可以使用瓷片电容，如果容量不够也可以使用钽电容或铝电解电容（前提是功能模块中各芯片都有了退耦电容—瓷片电容）。滤波电容的容量往往都可以从开关电源芯片的数据手册里找到计算公式。如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容的话，把电解电容放的离开关电源最近，这样能保护钽电容。瓷片电容放在钽电容后面。这样可以获得最好的滤波效果。
退耦电容需要满足两个要求，一个是容量需求，另一个是ESR需求。也就是说一个0.1uF的电容退耦效果也许不如两个0.01uF电容效果好。而且，0.01uF电容在较高频段有更低的阻抗，在这些频段内如果一个0.01uF电容能达到容量需求，那么它将比0.1uF电容拥有更好的退耦效果。
很多管脚较多的高速芯片设计指导手册会给出电源设计对退耦电容的要求，比如一款500多脚的BGA封装要求3.3V电源至少有30个瓷片电容，还要有几个大电容，总容量要200uF以上。
二、常见的脉冲电路的用途和特点
在电子电路中，电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路，因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。电子电路中另一大类电路的数字电子电路。它加工和处理的对象是不连续变化的数字信号。数字电子电路又可分成脉冲电路和数字逻辑电路，它们处理的都是不连续的脉冲信号。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。
电脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的，最具有代表性的是矩形脉冲。要说明一个矩形脉冲的特性可以用脉冲幅度 Um 、脉冲周期 T 或频率 f 、脉冲前沿 t r 、脉冲后沿 t f 和脉冲宽度 t k 来表示。如果一个脉冲的宽度 t k =1 ／ 2T ，它就是一个方波。
脉冲电路和放大振荡电路最大的不同点，或者说脉冲电路的特点是：脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。从所用的晶体管也可以看出来，在工作频率较高时都采用专用的开关管，如 2AK 、 2CK 、DK 、 3AK 型管，只有在工作频率较低时才使用一般的晶体管。
就拿脉冲电路中最常用的反相器电路（下图1）来说，从电路形式上看，它和放大电路中的共发射电路很相似。在放大电路中，基极电阻 R b2 是接到正电源上以取得基极偏压；而这个电路中，为了保证电路可靠地截止， R b2 是接到一个负电源上的，而且 R b1 和 R b2 的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。不仅如此，为了使晶体管开关速度更快，在基极上还加有加速电容 C ，在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和；在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。除了射极输出器是个特例，脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的，这是一个特点。
脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。
产生脉冲的多谐振荡器
脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。不管是什么脉冲，都是由脉冲信号发生器产生的，而且大多是短形脉冲或以矩形脉冲为原型变换成的。因为矩形脉冲含有丰富的谐波，所以脉冲信号发生器也叫自激多谐振荡器或简称多谐振荡器。如果用门来作比喻，多谐振荡器输出端时开时闭的状态可以把多谐振荡器比作宾馆的自动旋转门，它不需要人去推动，总是不停地开门和关门。
（ 1 ）集基耦合多谐振荡器
下图2是一个典型的分立元件集基耦合多谐振荡器。它由两个晶体管反相器经 RC 电路交叉耦合接成正反馈电路组成。两个电容器交替充放电使两管交替导通和截止，使电路不停地从一个状态自动翻转到另一个状态，形成自激振荡。从 A 点或 B 点可得到输出脉冲。当 R b1 =R b2 =R ， C b1 =C b2 =C 时，输出是幅度接近 E 的方波，脉冲周期 T=1.4RC 。如果两边不对称，则输出是矩形脉冲。
（ 2 ） RC 环形振荡器
下图 4 是常用的 RC 环形振荡器。它用奇数个门、首尾相连组成闭环形，环路中有 RC 延时电路。图中 RS 是保护电阻， R 和 C 是延时电路元件，它们的数值决定脉冲周期。输出脉冲周期 T=2.2RC 。如果把 R 换成电位器，就成为脉冲频率可调的多谐振荡器。因为这种电路简单可靠，使用方便，频率范围宽，可以从几赫变化到几兆赫，所以被广泛应用。
脉冲变换和整形电路
脉冲在工作中有时需要变换波形或幅度，如把矩形脉冲变成三角波或尖脉冲等，具有这种功能的电路就叫变换电路。脉冲在传送中会造成失真，因此常常要对波形不好的脉冲进行修整，使它整旧如新，具有这种功能的电路就叫整形电路。
（ 1 ）微分电路
微分电路是脉冲电路中最常用的波形变换电路，它和放大电路中的 RC 耦合电路很相似，见图 5 。当电路时间常数 τ=RC<<t k="" 时，输入矩形脉冲，由于电容器充放电极快，输出可得到一对尖脉冲。输入脉冲前沿则输出正向尖脉冲，输入脉冲后沿则输出负向尖脉冲。这种尖脉冲常被用作触发脉冲或计数脉冲。
（ 2 ）积分电路
把图 5 中的 R 和 C 互换，并使 τ=RC>>t k ，电路就成为积分电路，见图 6 。当输入矩形脉冲时，由于电容器充放电很慢，输出得到的是一串幅度较低的近似三角形的脉冲波。
（ 3 ）限幅器
能限制脉冲幅值的电路称为限幅器或削波器。图 7 是用二极管和电阻组成的上限幅电路。它能把输入的正向脉冲削掉。如果把二极管反接，就成为削掉负脉冲的下限幅电路。
用二极带或三极管等非线性器件可组成各种限幅器，或是变换波形（如把输入脉冲变成方波、梯形波、尖脉冲等），或是对脉冲整形（如把输入高低不平的脉冲系列削平成为整齐的脉冲系列等）。
（ 4 ）箝位器
能把脉冲电压维持在某个数值上而使波形保持不变的电路称为箝位器。它也是整形电路的一种。例如电视信号在传输过程中会造成失真，为了使脉冲波形恢复原样，接收机里就要用箝位电路把波形顶部箝制在某个固定电平上。下图 8 中反相器输出端上就有一个箝位二极管 VD 。如果没有这个二极管，输出脉冲高电平应该是 12 伏，现在增加了箝位二极管，输出脉冲高电平被箝制在 3 伏上。
此外，象反相器、射极输出器等电路也有“整旧如新”的作用，也可认为是整形电路。
寄存二进制数码的单元电路
有记忆功能的双稳电路多谐振荡器的输出总是时高时低地变换，所以它也叫无稳态电路。另一种双稳态电路就截然不同，双稳电路有两个输出端，它们总是处于相反的状态：一个是高电平，另一个必定是低电平。它的特点是如果没有外来的触发，输出状态能一直保持不变。所以常被用作寄存二进制数码的单元电路。
（ 1 ）集基耦合双稳电路
下图 9 是用分立元件组成的集基耦合双稳电路。它由一对用电阻交叉耦合的反相器组成。它的两个管子总是一管截止一管饱和，例如当 VT1 管饱和时 VT2 管就截止，这时 A 点是低电平 B 点是高电平。如果没有外来的触发信号，它就保持这种状态不变。如把高电平表示数字信号“ 1 ”，低电平表示“ 0 ”，那么这时就可以认为双稳电路已经把数字信号“ 1 ”寄存在 B 端了。
电路的基极分别加有微分电路。如果在 VT1 基极加上一个负脉冲（称为触发脉冲），就会使 VT1 基极电位下降，由于正反馈的作用，使 VT1 很快从饱和转入截止， VT2 从截止转入饱和。于是双稳电路翻转成 A 端为“ 1 ”， B 端为“ 0 ”，并一直保持下去。
（ 2 ）触发脉冲的触发方式和极性
双稳电路的触发电路形式和触发脉冲极性选择比较复杂。从触发方式看，因为有直流触发（电位触发）和交流触发（边沿触发）的分别，所以触发电路形式各有不同。从脉冲极性看，也是随着晶体管极性、触发脉冲加在哪个管子（饱和管还是截止管）上、哪个极上（基极还是集电极）而变化的。在实际应用中，因为微分电路能容易地得到尖脉冲，触发效果较好，所以都用交流触发方式。触发脉冲所加的位置多数是加在饱和管的基极上。所以使用 NPN 管的双稳电路所加的是负脉冲，而 PNP 管双稳电路所加的是正脉冲。
（ 3 ）集成触发器除了用分立元件外，也可以用集成门电路组成双稳电路。但实际上因为目前有大量的集成化双稳触发器产品可供选用，如 R—S 触发器、 D 触发器、 J － K 触发器等等，所以一般不使用门电路搭成的双稳电路而直接选用现成产品。
有延时功能的单稳电路
无稳电路有 2 个暂稳态而没有稳态，双稳电路则有 2 个稳态而没有暂稳态。脉冲电路中常用的第 3 种电路叫单稳电路，它有一个稳态和一个暂稳态。如果也用门来作比喻，单稳电路可以看成是一扇弹簧门，平时它总是关着的，“关”是它的稳态。当有人推它或拉它时门就打开，但由于弹力作用，门很快又自动关上，恢复到原来的状态。所以“开”是它的暂稳态。单稳电路常被用作定时、延时控制以及整形等。
（ 1 ）集基耦合单稳电路
图 10 是一个典型的集基耦合单稳电路。它也是由两级反相器交叉耦合而成的正反馈电路。它的一半和多谐振荡器相似，另一半和双稳电路相似，再加它也有一个微分触发电路，所以可以想象出它是半个无稳电路和半个双稳电路凑合成的，它应该有一个稳态和一个暂稳态。平时它总是一管（ VT1 ）饱和，另一管（ VT2 ）截止，这就是它的稳态。当输入一个触发脉冲后，电路便翻转到另一种状态，但这种状态只能维持不长的时间，很快它又恢复到原来的状态。电路暂稳态的时间是由延时元件 R 和 C 的数值决定的：t t =0.7RC 。
（ 2 ）集成化单稳电路
用集成门电路也可组成单稳电路。图 11 是微分型单稳电路，它用 2 个与非门交叉连接，门 1 输出到门 2 是用微分电路耦合，门 2 输出到门 1 是直接耦合，触发脉冲加到门 1 的另一个输入端 U I 。它的暂稳态时间即定时时间为：t t = （ 0.7 ～ 1.3 ） RC 。
脉冲电路的读图要点
①、脉冲电路的特点是工作在开关状态，它的输入输出都是脉冲，因此分析时要抓住关键，把主次电路区分开，先认定主电路的功能，再分析辅助电路的作用。
②、从电路结构上抓关键找异同。前面介绍了集基耦合方式的三种基本单元电路，它们都由双管反相器构成正反馈电路，这是它们的相同点。但细分析起来它们还是各有特点的：无稳和双稳电路虽然都有对称形式，但无稳电路是用电容耦合，双稳是用电阻直接耦合（有时并联有加速电容，容量一般都很小）；而且双稳电路一般都有触发电路（双端或单端触发）；单稳电路就很好认，它是不对称的，兼有双稳和单稳的形式。这样一分析，三种电路就很好区别了。
③、脉冲电路中，脉冲的生成、变换和整形都和电容器的充、放电有关，电路的时间常数即 R 和 C 的数值对确定电路的性质有极重要的意义，这一点尤为重要。
