千字深度理解:什么是电容的直流偏压特性?

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电容是电路中最常用的被动器件之一,他有频率、偏压等特性,很多同学不清楚偏压特性究竟有什么影响?学校课本中也没有重点介绍这个注意事项,很容易采坑,本节以实际电容为例,介绍电容偏压特性的影响。

电容的偏压特性也叫做偏置特性,也有的人把它叫做电容的直流电压特性,它的意思是电容两端如果加入直流电压时,电容值会随着直流电压的上升而降低,下图是电容:GRT155C81C105KE13的偏压特性曲线图,电容是1uF、封装为0402电容,左图中可以看到随着直流电压的上升电容的容量是逐渐减小的,当电容两端电压是4V时,1uF电容下降了33.6%,变成了1*(1-0.336)=0.664uF,那么怎么更直观的理解这个参数的影响呢?实际电路设计应用中又如何规避偏压影响呢?

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我们以一阶RC低通滤波电路为例,这样介绍会更直观,下图第一行中一阶RC低通滤波器电阻是1KΩ,电容是1uF,截止频率Fc=1/(2*π*R*C)=160Hz,意思是输入一个160Hz@1Vpp的正弦信号,输出信号会衰减3dB,峰峰值变为0.7Vpp,频率超过160Hz的信号会被衰减,而频率低于160Hz的信号会通过,因此叫做低通滤波器。

第二行中,还是用的相同的电容、相同的电路结构,只有输入信号有区别,现在输入信号叠加了4V的直流偏置,根据上面的偏压曲线图可以知道,电容的容值降低了33.6%,变成了0.664uF,因此截止频率也变化成了241Hz,此时输入241Hz@1Vpp的正弦信号,理论上输出信号是241Hz@0.7Vpp。

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相比于理论介绍,我知道大家都更喜欢实践,接下来就实际接个电路测试下,测试电路和方法非常简单,电路就是上图中的电路,用的1K的电阻,电容用的是GRT155C81C105KE13,容值为1uF,分别做两种试验,两种试验都是在输入端加载1Vpp的正弦信号,信号频率从1Hz扫描到10KHz,采集输出端的波形,画出增益曲线(伯德图),这个过程称为扫频,网络分析仪就是这个原理,这两种试验唯一区别是,试验1的信号是纯交流信号,实验二会叠加一个4V的直流。

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下图是试验1的测试结果,根据1K电阻和1uF电容计算截止频率理论上应该是160Hz。第一行是输入的160Hz@1Vpp正弦信号,第二行是输出的信号,可以看到在160Hz截止频率下,1Vpp衰减为0.7Vpp,与前文理论分析是一致的。第三行是增益曲线图,扫描频率从1Hz到10KHz,-3dB频点位置是160Hz,与前文理论分析结果是一致的。

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下图是试验2的测试结果,与试验1用的是相同的电阻电容,电阻是1K,电容是1uF,由于叠加了4V直流电压,理论上电容应该下降为0.664uF,根据1K电阻和0.664uF电容计算截止频率理论上应该是241Hz。第一行是输入的260Hz@1Vpp正弦信号再叠加一个4V的直流信号,第二行是输出的信号,可以看到在260Hz截止频率下,1Vpp衰减为0.7Vpp,与前文理论分析的241Hz非常接近。第三行是增益曲线图,扫描频率从1Hz到10KHz,-3dB频点位置是260Hz,与前文理论分析结果的241Hz相差不大,基本一致。

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从上面两个试验可以看出,相同的电阻和电容,如果输入信号叠加了直流电压会影响到实际电容值,在输入信号不同的情况下,截止频率是有差异的,这就是偏置电压带来的影响,因此在电源中普遍用大量大容值电容,并且并联连接。如果放大信号,后级的信号如果有偏置电压,那么也要考虑这个偏置电压的影响,并且选择合适的电容,通常正负双极性的双向电源对此要求不高,而单电源的采集电路,信号一般会在Vcc/2基础上波动,这个直流电压一定要在电路设计中就充分考虑。

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注意:通常的电路仿真软件是无法仿真出实际电容这个偏置电压的影响的,比如仿真软件中的1uF就是1uF,不会随着直流偏置电压的改变而改变,这一点一定要注意!

就比如下图的电路仿真,依然是1KΩ和1uF,不管叠加的直流信号是多少,3dB截止频率始终是160Hz,所以仿真只是功能性仿真,而在实际应用中积累丰富的理论指导原则和实践经验才是关键。

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