电路中大电容和小电容为什么要配合使用？

在电源滤波中，选择合适的电容至关重要。为什么常见电路中都是大电容和小电容搭配起来使用呢？

本文将对进行详细分析。

大电容的特点

体积大：大电容通常具有较大的体积，并采用多层卷绕的结构，这样会导致较大的分布电感（也称为等效串联电感，ESL）。

高频性能差：由于电感对高频信号的阻抗较大，大电容在高频信号中的表现不佳。

小电容的特点

体积小：小电容由于容量较小，可以做得更小，减少了引脚的长度，从而降低了ESL。小电容常采用平板电容结构，这样具有很好的高频性能。

低频性能差：虽然小电容对高频信号具有良好的滤波能力，但对低频信号的阻抗较大。

组合使用的策略

为了有效滤除低频和高频信号，通常会将一个大电容与一个小电容并联使用：

大电容：主要用于滤除低频噪声，因为它对低频信号的阻抗较低。

小电容：用于滤除高频噪声，因为它对高频信号的阻抗较低。常用的0.1uF瓷片电容在这种应用中表现良好。对于更高频率的信号，可以并联更小的电容，如几pF或几百pF的电容。

实际应用

在数字电路中，每个芯片的电源引脚上通常会并联一个0.1uF的电容到地，这种电容也被称为去耦电容（或电源滤波电容），其目的是滤除高频信号。电容应该尽可能靠近芯片，以提高滤波效果。

电容的阻抗特性

理想情况下，电容的阻抗随频率的增加而降低。然而，实际电容因引脚的分布电感效应而不是完全的理想电容。当频率超过电容的自谐振频率（FSR）时，电容的阻抗表现出电感特性，导致其在高频下的阻抗反而增加。相反，电感也有类似的特性。

总之，大电容与小电容的组合可以有效地覆盖从低频到高频的信号范围，实现优良的电源滤波效果。大电容负责滤除低频干扰，小电容负责处理高频噪声，两者的搭配能够更全面地抑制电源干扰。

内容补充

如何选择滤波电容的容值

滤波电容的具体容值选择需要根据你的PCB主要工作频率以及可能对系统造成影响的谐波频率来决定。可以查阅相关厂商提供的电容资料，或参考厂商提供的资料库软件，结合实际需求进行选择。

电容的数量

至于滤波电容的数量，并没有固定的标准，要根据具体需求来决定。多加一两个电容是可以的，暂时不需要的可以先不贴，根据实际调试情况再选择适合的容值。如果你的PCB主要工作频率较低，加两个电容通常就够了，一个用于滤除纹波，一个用于滤除高频信号。如果会出现较大的瞬时电流，建议再增加一个较大的钽电容。

滤波的两种方式：去耦与旁路

滤波电容的作用包含两个方面：去耦和旁路。一般来说，数字电路中的去耦电容选择0.1uF即可，适用于10MHz以下的频率；20MHz以上的频率则需要1到10uF的电容来更好地去除高频噪声，具体选择可以按照公式C=1/f来计算。而旁路电容一般选择较小的容值，根据谐振频率，通常选择0.1uF或0.01uF。

提到电容，各种各样的名称可能会让人感到困惑，例如旁路电容、去耦电容和滤波电容等。其实，无论如何称呼，它们的原理都是相同的，都是利用电容对交流信号呈现低阻抗的特性。这一点可以通过电容的等效阻抗公式来理解：

   ，

公式中，工作频率f越高，电容值C越大，则电容的阻抗 Xcap越小。

在电路中，如果电容的主要作用是为交流信号提供低阻抗通路，那么它就被称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，那么它被称为去耦电容；如果用于滤波电路中，则称为滤波电容。此外，对于直流电压，电容器还可以作为电路的储能元件，利用充放电起到类似电池的作用。

实际上，电容在电路中的作用往往是多方面的，因此不必过于纠结其具体定义。为了简化，在本文中，我们将所有应用于高速PCB设计中的电容统称为旁路电容。

电容的基本功能是通交流、隔直流，理论上讲，用于电源滤波的电容越大越好。

然而，由于引线和PCB布线的影响，实际电容表现为电感和电容的并联电路（电容本身的电阻有时也不可忽略）。这就引出了谐振频率的概念：

在谐振频率以下，电容呈容性；在谐振频率以上，电容呈感性。因此，大电容一般用于滤低频波，小电容用于滤高频波。

这也解释了为什么同样容值的电容，STM封装比DIP封装的滤波频率更高。

以下是一些电容值与其对应的谐振频率参考：

不过，这些数据仅供参考。正如老工程师们所说，选择电容主要还是依靠经验。

更可靠的做法是将一个大电容和一个小电容并联使用，一般要求两者的容值相差两个数量级以上，这样可以覆盖更广的滤波频段。

通常来说，大电容用来滤除低频波，小电容用来滤除高频波。电容值与所需滤除的频率的平方成反比。

选择合适的电源滤波电容并不复杂，只需掌握一些基本原则和方法。

理论上，理想的电容器阻抗随着频率的增加而减少（1/jωC）。然而，由于电容引脚的电感效应，电容器实际上表现为一个LC串联谐振电路，其自谐振频率（FSR）决定了电容在高频下的行为。当频率超过FSR时，电容会变成一个电感，从而大幅降低对高频干扰的抑制效果。因此，通常需要将一个较小的电容并联在地上，以补偿这个效果。

具体原因是，小电容的自谐振频率较高，对高频信号提供了更好的接地通路。因此，在电源滤波电路中，我们常常采用“大电容滤除低频，小电容滤除高频”的方法。这样做的根本原因在于不同电容的自谐振频率（FSR）值不同。

从这个角度考虑，也可以理解为何在电源滤波设计中，电容应尽可能靠近地线安装，以最大程度地提高滤波效果。

在实际设计中，确定电容的自谐振频率（SFR）可能会遇到一些疑问，例如如何查找SFR值，如何选择不同SFR值的电容，以及是否使用一个还是多个电容。

1. 自谐振频率（SFR）与电容值的关系  

   自谐振频率（SFR）受到电容值和电容引脚电感的影响，因此相同容值的不同封装形式（如0402、0603或直插式电容）的SFR值可能不同。 

2. 如何获取SFR值

   查看器件数据手册：许多电容的SFR值可以在数据手册中找到。例如，22pF的0402电容其SFR值大约为2GHz。

   使用网络分析仪测量：如果数据手册中没有SFR值，可以使用网络分析仪直接测量电容的自谐振频率。

了解了电容的自谐振频率（SFR）后，你可以使用像RFsim99这样的仿真软件来评估电容的效果。这一过程涉及以下几个步骤：

1. 软件仿真 

   使用仿真软件检查电容在电源滤波电路中的表现，确保它能在你所需的工作频带内提供足够的噪声抑制。如果仿真结果显示滤波效果良好，则可以继续进行实际电路测试。

2. 实际电路测试

   在实际电路中，尤其是在手机等设备的LNA（低噪声放大器）电源滤波中，良好的电源滤波能显著改善接收灵敏度，通常可以提高几个dB。实际测试可以验证仿真结果，并根据测试结果进一步优化电路设计。

通俗比喻

可以把电容想象成一个漏水的容器，而交流电的峰值到来就像是往容器里加水。如果容器漏水的速度是固定的，那么频繁加水时（高频信号）需要一个较小的容器（小电容），以保持水位稳定。而在加水次数较少的情况下（低频信号），则需要一个较大的容器（大电容），以减少因漏水导致的水位下降。这样，通过合适的电容选择，可以更好地维持电源的稳定性和滤波效果。

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