旁路電容的作用與應用原理詳解

在基本電路里面，我想討論一下旁路電容。本文將講述旁路電容的作用，講述該在什么時候使用它們，以及你應該注意什么以及旁路電容的作用。

在電子電路詞典里面可以找到旁路電容的定義：

Bypass capacitor： A capacitor employed to conduct an alternaTIng current around a component or group of components. Often the AC is removed from an AC/DC mixture， the DC being free to pass through the bypassed component.

旁路電容(bypass電容)：用于導通或者吸收某元件或者一組元件中交流成分的一種電容。通常交直流中的交流部分被去除，而允許直流部分通過加有旁路電容的元件。

實際上，大多數(shù)諸如微控制器(單片機)等的數(shù)字電路都是直流電路。這種電路里面的電壓水平的變化會造成很多問題。如果電壓變化太多，電路可能就會不正常地工作。對大多數(shù)情況來講，紋波電壓被認為是交流成分，旁路電容的目的就是要抑制這種交流成分，抑制這種電壓噪聲。旁路電容的另外一種說法就是濾波電容。

在左邊的電路圖里面，你可以清楚地看到當使用了濾波電容以后電壓噪聲的變化情況。注意到兩種電壓的波動幅度的差別很小(在5到10毫伏)。這個圖里面的電壓是4.95~5.05V小幅電壓。隨機的電子噪聲造成電壓波動，正如圖表里面顯示那樣，這種波動的部分通常被稱為“噪聲”或者“紋波”。藍線代表的是沒有使用的濾波電容的電壓變化，粉紅色線是使用了濾波電容了的。紋波電壓在幾乎所有的直流電路里面都是存在的。在粉紅色曲線里面，即使使用了濾波電容以后電壓變化幅度變小了，但是“變化”還是存在的，電壓還是有紋波噪聲。旁路電容的重要功能就是要減小電路里面的紋波的幅值。太大的紋波是極其有害的，使得電路不正常工作。紋波通常又是隨機的，當然有時候電路里面其他元器件也會發(fā)出噪聲。比如繼電器和電機經常就能夠使電壓發(fā)生突然的波動，簡直就像打破了池塘里面平靜的水面一樣。其它元器件使用的電流越大，這種紋波噪聲的效應也就越明顯。

一個常見的問題就是這種小幅的紋波真的就那么值得注意么?是啊，電壓水平不是足夠精確了嗎?答案取決于你設計的電路類型。如果你的電路只是用來將電機連上一個電池，或著點亮一個LED，那么電路里頭的紋波恐怕對你來說并不要緊。但是，如果你在使用數(shù)字邏輯門電路，情況恐怕就不是那么簡單了，紋波肯定能夠給你的電路帶來麻煩。

首先讓我們來考慮一下紋波電壓造成的影響。基礎電子理論告訴我們電壓是勢能的差別所引起的，而電流在這種勢能的差別中流過;我們知道電壓越高，電流越大;我們還知道電壓的方向決定了電流的方向。

看看右邊的紋波電壓圖和紋波電流圖的放大圖。上面部分是兩個紋波電壓變化情況，和前一副圖相似，藍色的線代表沒有使用旁路電容，另一個是使用了旁路電容了的。 沿著該圖下面的橫軸看，在點2處電壓開始上升，而看看下面的紋波電流圖，點2處的電流在一個方向有相對較高的幅值，對比一下，點5處電壓和電流的方向是相反的。

注意這種有沒有旁路電容(bypass電容)時的差別。通過抑制紋波電壓，旁路電容同時也抑制了紋波電流。我想說紋波電壓圖和紋波電流圖很清晰地表達了交流成分的產生，也可以看到電壓是如何變化的，以及紋波電流是如何改變方向的。即使這是一個DC電路，紋波也引起了交流成分。旁路電容能夠減小AC組分。

紋波電流就像電路中的渦流或者回流，隨著電壓和電流在電路里頭的傳播，電壓差異和電流差異足以工作。比如，我們假定一個與門，其半導體門輸入端保持穩(wěn)定輸入而使得輸出保持在穩(wěn)定狀態(tài)，門電路里在電流沿著一個方向流經一個PN結的時候工作，如果電流停止了流動，晶體管也就關閉或者截止;如果紋波著相反的錯誤方向流動，門也就時常關閉，你得到的輸出也會跟著改變。由于一個門可能與其他許多門連在一的效應會造成嚴重的錯誤。

總之，旁路電容是用于在DC電路里頭抑制AC成分的電容。通過使用旁路電容，你的DC電路將不會對紋波電壓和紋波電流那么感冒。

使用旁路電容(bypass電容)注意事項

你在許多期刊雜志和書籍里頭所看到的電路圖都省略了旁路電容。因為他們以為你知道該把它們加入電路里頭。而其他時候你或許會看到有一排電容藏在一個電路圖的角落里頭，似乎沒有什么作用。它們通常就是旁路(或者濾波)電容。你只要隨便翻開一個數(shù)字電路，都不難找到旁路電容的身影。

最?？吹脚月冯娙?bypass電容)的身影的地方就是直接將電源和地連在一起的旁路電容。正如左邊圖示的那樣。這個簡單的使用會允許VCC里頭的AC成分直接導通到“地”GND。電容的作用也像蓄流一樣，當電壓因某種原因下降時 充電電容溢出部分電流來填充VCC里面的坑坑洼洼的地方。電容量的大小就決定了它能填充多大的坑洼(電壓降)，電容量越大能夠填充撫平的坑洼也越大。通常使用的是 .1uF的電容。你也可以看到 .01uF也是常有的電容值。追求旁路電容的精確值并沒有什么意義。

因此，你究竟需要多少旁路電容呢?我最笨的做法就是在我每一個電路板上的IC旁邊都有自己的旁路電容。實際上，我努力地將旁路電容的一頭和Vcc或者GND引腳接在一起。這可能有點矯枉過正，可是過去的這種做法一直都還感覺不錯。因此我也向你推薦此法。事實上，你甚至可以在所有DIP封裝旁邊都使用旁路電容。我認為你只要在每一平方英寸里面都有幾個旁路電容，你就可以省心許多了!

另外一個使用旁路電容(bypass電容)的地方就是在電源接頭處。每當你使用一個電源線接上一個板子或者使用長導線的時候，我都建議你添加一個旁路電容。任何長度的導線都可以像一個小的天線一樣，它能夠從任何電磁場里面捕捉到電子噪聲。我通常在這種長線的兩端都加上旁路電容。

旁路電容的類型特別重要。建議你使用獨石瓷片電容。它們的體積小，便宜而且容易買到。我通常使用

管腳間距為.1英寸或者.2英寸，容量 0.1uF 耐壓50V精度為±20%的旁路電容;容量為.01uF的電容也行。我會避免使用大容量的旁路電容，因為他們的塊頭太大了。電解電容通常不適合作為旁路電容使用，因為他們通常都是大容量，且對高頻響應并不理想。

紋波的頻率可以決定使用什么容量的電容。最精明的辦法是，頻率越高所需旁路電容容量越小。如果你的電路里頭 有個高頻元器件，你或許可以考慮并聯(lián)使用一對電容，一個是大容量一個是小容量。如果你的電路里頭紋波非常復雜，你可以多加幾個旁路電容，每個電容對應于不同的紋波頻率。你也可以加一個ElectrolyTIc capacitor以防低頻紋波的幅值太大了。比如，右圖中并聯(lián)使用了三個不同容量的電容，每一個都對一個頻率范圍的紋波噪聲起作用。C4是一個4.7uF電容，可以處理相對低頻的電壓紋波，C2可以處理中等頻率，C3可以處理稍高點的頻率，電容的響應頻率由它的內部阻抗和感抗決定的。

總結

旁路電容(bypass電容)能夠濾除電路里頭的電子噪聲，它們靠過濾由紋波電壓引起的交流成分 。大多數(shù)數(shù)字電路都有幾個旁路電容。最精明的辦法就是在板子上的每一個集成電路旁邊都使用旁路電容。旁路電容的常用容量數(shù)量級就是0.1uF。高頻紋波需要更小容量的電容。