区别:低通滤波器和大电容器?


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与微控制器一起使用时,建议在电源引脚和接地之间放置滤波/去耦电容器。我了解这种实现方式的目的,即电容器两端的电压不能瞬时变化,但是单个电容器与低通滤波器之间的显着区别是什么?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

原理图

模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图

例如,如果我想为我的ADC参考电压提供一个干净的电源来比较输入电压,则可以实现一个低通滤波器以抑制高频波动,或者简单地插入一个适当尺寸的电容器。

我立即想到的是,单个电容器的初始电流需求可能会瞬间超过MCU的最大额定值,但是如果使用电阻器,则该电流将受到限制。使用LPF(带有电阻器)是否可以设计成滤波器的输出阻抗无限大而不给ADC负载?类似地,仅电容器就可以提供足够的电压滤波,但是会不会导致低输出阻抗?

每种过滤实现的利弊是什么,设计人员何时应使用一个或另一个?

还有其他想法吗?

Answers:


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电源引脚附近的电容帽不是为了保护器件免受噪声影响,而是为了防止器件产生噪声,因为逻辑开关会导致电源电流快速变化。理想情况下,电容帽可提供更多电流的瞬时需求,而不会一直流回电源。

电路PSU侧的阻抗之和-PSU的内部阻抗加上走线或平面的电感,电阻和电容-足以在电容的输入侧提供一些低通滤波。我认为电容帽是一个很小的电源,可以用几兆赫兹的带宽响应需求。较大的提供完整电路的调节器反应太慢,电容是替代或旁路(或解耦)PSU的临时电源。将电容帽靠近电源引脚放置在芯片上可最大程度地减小电阻和电感,从而降低响应速度。

CMOS部件在切换状态时会消耗大部分功率。对于微处理器而言,这意味着在时钟沿,电流消耗很少出现快速尖峰。由于每条指令使用内部电路的不同组合,因此尖峰的大小与时钟一样快。想象一下用于检查寄存器是否为零以及从RAM中获取数据的电路。所需的功率以时钟速率波动。电流变化越大,上限越大。对于我们大多数人来说,计算合适的尺寸是一个估计问题,而0.1uF的陶瓷盖非常普遍,因此成本非常低。电容器的结构以及温度的变化也是一个问题。在商业温度范围内,有些响应速度可能比其他响应快,有些响应变化了80%。

它们也被称为旁路电容,因为:1)它们可以将高频PSU噪声“旁路”(短路)到地面。2)他们可以“绕过” PSU并响应高频功率需求。

也称为“去耦电容”,是高频的一个更准确的术语,因为它们“去耦”了零件和PSU之间的功率需求。


我了解电容器的电流源能力,但我认为将其包括在从VCC到GND的设计中,其结果的优先级较低。我认为包括电容器的主要目的是为了滤除电线可能从电源/电池到MCU的VCC引脚拾取的高频噪声。这样的想法是,充电的电容器将保持平滑的输出电压,并使电源产生的任何HF波动都短路到地。什么是电容器“去耦”?电容器如何绕过PSU?
sherrellbc 2013年

用“阻抗总和”是指从帽到电源的导线长度的阻抗吗?另外,MCU在什么条件下需要更多电流?当然会有区别,但是对于MCU空闲地做某事而不是进行一些较重的计算时,情况是否会明显不同?
sherrellbc 2013年

@sherrellbc“阻抗总和”是指PSU的内部阻抗(它确实具有内部阻抗。如果可以将其与通电电路的阻抗完全匹配,则将获得最高效率)加上电阻和电感PCB走线或电源层,我敢肯定还有更多。我将编辑答案。
C. Towne Springer

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简短的答案:

当MCU功耗快速变化时,仅使用电容器即可提供功率。RC滤波器用于阻止不需要的高频信号。

回答:

两种不同的电路用于不同的目的。如您所说,电容器两端的电压不能立即改变。

我确定你知道

  1. MCU需要最低电压才能运行
  2. MCU在运行期间需要变化的电量

由于功率等于电压*电流(P = VI),并且电压必须恒定,因此功率的任何变化都会表现为电流的变化。

对于带有稳压器和MCU的假设设计:

原理图

模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图

假设我们删除了C2:

原理图

模拟该电路

(很抱歉,对于各种示意图,我尚未为该示意图站点设置一个帐户,我需要继续重绘它)

如果为MCU提供电源的稳压器是完美的,并且没有寄生电感或走线电阻,则MCU将吸收变化的电流量,并且稳压器不会降低或升高其电压。不幸的是,在现实世界中,电路板看起来像这样:

原理图

模拟该电路

(快速说明:在这种情况下,可以将电感器视为高频电阻器)

由于电路板的寄生电感,走线电阻以及调节器无法响应电流汲取的事实会立即改变,因此电压会随着MCU分别汲取更多或更少的电流而下降和升高。

作为参考,这里是LM7805数据表的图表

ST 7805

LM7805的瞬态响应

这显示了随着负载的增加和减少,LM7805稳压输出电压的有限响应时间(底线中的三角形谷值和谷值)。如果调节器是完美的,那么当电流相对快速地增加或减少时,“电压偏差”就不会上升或下降。

我知道电感器起初可能会有些混乱,因此,为简单起见,您可以用电阻代替上面示意图中的电感器,并将两个电阻器加在一起,然后在调节器和MCU之间有一个电阻器。这很不好,因为V = IR,MCU汲取的电流越大,电阻两端的压降就越大。(当我谈论RC滤波器时,我将在下面解释该电阻的作用。

回到原始设计。旁路电容器应尽可能靠近MCU放置,以使电路板上发现的所有电感和电阻以及调节器无法立即响应的事实不会影响MCU上的电压电平。

对于您的第二个(RC)电路

原理图

模拟该电路

不应添加电阻器绕过MCU的原因是,电阻器两端的电压是相对于流经电阻器的电流而言的。这一点很重要,因为如果MCU工作在5V电压下并消耗10mA静态电流(不进行任何操作即可工作),则该电阻两端的压降为:

R * 10mA =压降

因此,如果您有一个50欧姆的电阻,则可能会下降0.5V,这可能会使您的MCU复位。

您在此处绘制的低通滤波器(例如RC滤波器)不利于供电,但对于滤除信号的高频分量很有用。

这对于使用ADC读取的信号非常有用,因为ADC只能以特定速率采样,因此,如果信号以大于高频信号的速率变化(实际上是奈奎斯特定理的 1/2倍))会显示为随机噪声,因此最好使用RC滤波器将其删除。

举例来说,您有一个ADC的采样率为10Khz

并且您想读取一个仅以1KHz的频率变化的模拟传感器,则可以设置RC滤波器以滤除大于5Khz的信号(您可能不想以1Khz开始滤波,因为RC滤波器的体积很小衰减量低于设计用于过滤的频率。

因此,要设计一个RC滤波器来实现此目的,可以使用以下电阻:

330欧姆和0.1uF的电容

如果您需要解决任何其他频率的问题,这是一个很棒的计算器:

真棒RC计算器

我希望我保持足够的话题性来回答您的问题。


寄生电感从何而来?我以为电感只是电线线圈的产物。我认为PCB的走线是线性的。
sherrellbc

如果将电容器放置在离MCU更远的地方,将会对电容器的有效性产生什么影响?
sherrellbc

This is bad because V=IR and the more current the MCU draws the more of a voltage drop will be seen across the resistor.补充电流是否会从C2中获取(假设存在)?您如何估算C2上可用的电流或汲取时间,以使电容器两端的电压不变?另外,C1的目的是什么?
sherrellbc

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@sherrellbc-如果将电容器放置在距离MCU较远的位置,则您可能会看到MCU产生更多的开关噪声。基本上,您是在滤波器盖和MCU之间串联一个非常小的电感和电阻,这会阻止滤波器盖有效地发挥作用。
TimH-Codidact

1
要回答您的问题“寄生电感从何而来?” 所有走线,元件和过孔均具有寄生电感。电感是由在导体电流的变化在两导体本身和任何附近的导体中产生的电压导线的财产维基百科电感。这个定义没有说线圈。走线是导体,因此是电感器,带有线圈的电感器只是其中电感值受到更严格控制的特殊情况。
戴夫

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区别在于仅放置电容器取决于电源阻抗和芯片电源阻抗,以构成其余的低通滤波器。也就是说,两个实例都创建一个LPF,显式电阻器只是用于对其进行调整。


我知道了。我没有考虑针脚。电容器将如何与I / O引脚模型接口,如何计算引脚的输出(将其称为输出或输入?)阻抗以细化LPF?
sherrellbc

通过查看电路的电源电流要求,您可以大致了解负载。这将随晶体管的开关而变化,但是通常您希望滚降频率不要超过几十赫兹左右。对于较小的电路,只需一个电容器即可,但是对于较大的电路,通常需要一个电感器(而不是电阻器)来保持滤波。
伊格纳西奥·巴斯克斯

在这种情况下,滚降频率是什么意思?电感会被用来过滤电流,而电容会过滤电压波动吗?
sherrellbc

滚降频率通常为-6dB点。LC电路可以充当LPF,每个设备负责保持其相应组件的稳定。
伊格纳西奥·巴斯克斯

1

你是对的。这是一种去耦技术,我们必须遵循制造商的建议。典型的去耦包括:

->距离芯片不超过5cm的大型电解电容器(10〜100μF)。该电容器的目的是“局部”提供瞬时电流需求,避免从主功率路径及其阻抗中获取该功率。o这是一个低ESR电容器。->尽可能靠近IC的电源引脚的一个较小的电容器(0.01μF– 0.1μF),可将HF组件驱出IC。两个电容器都应连接到PCB上的大面积接地,以使电感最小。->与IC的Vcc引脚串联的铁氧体床,以减少与该IC之间的EMI。

您可以判断,以上是线性和数字IC的通用技术。但是您要画的RC滤波器是专用于数字IC去耦的。数字走线状态的变化,由于走线阻抗,导致PS电压波动。使用RC或LC拓扑可以将高频噪声最小化。在LC滤波器中,噪声出现在线圈两端,而不是芯片中或在电源电路中通过。它提供了非常有效的滤波,但它的谐振频率可能会辐射EMI。可以使用铁氧体床代替电感器。 在此处输入图片说明

您提到的RC滤波器将噪声转化为热量,因此会消散。缺点是电阻器在供电电压中引入了电压降。另一方面,RC滤波器价格较低。有时您会发现绕线电阻而不是电感器

上面的内容由Silicon Labs和Analog Devices推荐


通过radiate你指的是,LC滤波器可能会发出电磁辐射而产生干扰的一些受害者部件附近的可能性?
sherrellbc 2014年

对。例如,具有100μF和1μH的去耦网络在16kHz处产生谐振。如果此频率出现在电源线中,将导致问题。解决此问题的方法是在线圈上串联一个小的电阻(即靠近IC的10Ω)以降低Q,或者在频率高于100kHZ时使用铁氧体床。去耦方法还取决于所使用的电源类型(线性或开关),并且在时钟高于1.5GHz且在14-位ADC
GR Tech'1

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低通滤波器用于阻挡特定频率以上的高频和噪声信号。共振在该特定频率处发生。高于谐振频率的所有信号都将接地,并且与您描述的单个电容器相同。

出于经济目的,使用RC滤波器代替LC滤波器。

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