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實測分析:怎么理解電容的直流偏壓特性?

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發(fā)表于 2024-12-6 07:32:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
電容是電路中最常用的被動器件之一,他有頻率、偏壓等特性,很多同學(xué)不清楚偏壓特性究竟有什么影響?學(xué)校課本中也沒有重點介紹這個注意事項,很容易采坑,本節(jié)以實際電容為例,介紹電容偏壓特性的影響。
! p! t: b% Z: ~9 e. b. _# R; g電容的偏壓特性也叫做偏置特性,也有的人把它叫做電容的直流電壓特性,它的意思是電容兩端如果加入直流電壓時,電容值會隨著直流電壓的上升而降低。1 N6 T* K) Y% J" ^% A6 y& c
下圖是電容:GRT155C81C105KE13的偏壓特性曲線圖,電容是1uF、封裝為0402電容,左圖中可以看到隨著直流電壓的上升電容的容量是逐漸減小的,當(dāng)電容兩端電壓是4V時,1uF電容下降了33.6%,變成了1*(1-0.336)=0.664uF。7 v: p. `0 o) u% @1 l* Z* j
那么怎么更直觀的理解這個參數(shù)的影響呢?實際電路設(shè)計應(yīng)用中又如何規(guī)避偏壓影響呢?! R6 Z# u$ ~/ N/ Y* x

* z8 ~' c- s- Q' w7 H ; r; f9 k/ L( w

2 H% M5 m: Q' O$ j) s$ V4 m我們以一階RC低通濾波電路為例,這樣介紹會更直觀,下圖第一行中一階RC低通濾波器電阻是1KΩ,電容是1uF,截止頻率Fc=1/(2*π*R*C)=160Hz,意思是輸入一個160Hz@1Vpp的正弦信號,輸出信號會衰減3dB,峰峰值變?yōu)?.7Vpp,頻率超過160Hz的信號會被衰減,而頻率低于160Hz的信號會通過,因此叫做低通濾波器。
( Z; a: o4 y6 v4 L8 t3 [第二行中,還是用的相同的電容、相同的電路結(jié)構(gòu),只有輸入信號有區(qū)別,現(xiàn)在輸入信號疊加了4V的直流偏置,根據(jù)上面的偏壓曲線圖可以知道,電容的容值降低了33.6%,變成了0.664uF,因此截止頻率也變化成了241Hz,此時輸入241Hz@1Vpp的正弦信號,理論上輸出信號是241Hz@0.7Vpp。
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相比于理論介紹,我知道大家都更喜歡實踐,接下來就實際接個電路測試下,測試電路和方法非常簡單。電路就是上圖中的電路。
! k# ?$ l& k8 U( b用的1K的電阻,電容用的是GRT155C81C105KE13,容值為1uF,分別做兩種試驗,兩種試驗都是在輸入端加載1Vpp的正弦信號,信號頻率從1Hz掃描到10KHz,采集輸出端的波形,畫出增益曲線(伯德圖),這個過程稱為掃頻,網(wǎng)絡(luò)分析儀就是這個原理。9 B2 g: i  h% Z* d9 o
這兩種試驗唯一區(qū)別是,試驗1的信號是純交流信號,實驗二會疊加一個4V的直流。: P" Q/ K: ]: V4 E" s

5 D9 @* Q5 R3 k# \下圖是試驗1的測試結(jié)果,根據(jù)1K電阻和1uF電容計算截止頻率理論上應(yīng)該是160Hz。第一行是輸入的160Hz@1Vpp正弦信號,第二行是輸出的信號,可以看到在160Hz截止頻率下,1Vpp衰減為0.7Vpp,與前文理論分析是一致的。第三行是增益曲線圖,掃描頻率從1Hz到10KHz,-3dB頻點位置是160Hz,與前文理論分析結(jié)果是一致的。
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9 l& f, c# ^3 J1 D% h. i下圖是試驗2的測試結(jié)果,與試驗1用的是相同的電阻電容,電阻是1K,電容是1uF,由于疊加了4V直流電壓,理論上電容應(yīng)該下降為0.664uF,根據(jù)1K電阻和0.664uF電容計算截止頻率理論上應(yīng)該是241Hz。
0 \" Q5 B: K+ d# `% P第一行是輸入的260Hz@1Vpp正弦信號再疊加一個4V的直流信號,第二行是輸出的信號,可以看到在260Hz截止頻率下,1Vpp衰減為0.7Vpp,與前文理論分析的241Hz非常接近。第三行是增益曲線圖,掃描頻率從1Hz到10KHz,-3dB頻點位置是260Hz,與前文理論分析結(jié)果的241Hz相差不大,基本一致。+ |' p+ X0 l5 `5 ?% h: J
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從上面兩個試驗可以看出,相同的電阻和電容,如果輸入信號疊加了直流電壓會影響到實際電容值,在輸入信號不同的情況下,截止頻率是有差異的,這就是偏置電壓帶來的影響,因此在電源中普遍用大量大容值電容,并且并聯(lián)連接。5 Z, l  ~) l# ]; [: l) x" ^
如果放大信號,后級的信號如果有偏置電壓,那么也要考慮這個偏置電壓的影響,并且選擇合適的電容,通常正負雙極性的雙向電源對此要求不高,而單電源的采集電路,信號一般會在Vcc/2基礎(chǔ)上波動,這個直流電壓一定要在電路設(shè)計中就充分考慮。# Y2 |. X6 S, L' C8 Y/ a
注意:通常的電路仿真軟件是無法仿真出實際電容這個偏置電壓的影響的,比如仿真軟件中的1uF就是1uF,不會隨著直流偏置電壓的改變而改變,這一點一定要注意!: o) i& J- ]) u7 C5 t% U- u
就比如下圖的電路仿真,依然是1KΩ和1uF,不管疊加的直流信號是多少,3dB截止頻率始終是160Hz,所以仿真只是功能性仿真,而在實際應(yīng)用中積累豐富的理論指導(dǎo)原則和實踐經(jīng)驗才是關(guān)鍵。" D8 k. R+ T" j2 Z2 _: f% c4 e- A

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