一文帶你讀懂耦合與退耦，上拉與下拉

　　耦合與退耦

　　什么是耦合電容?什么是去耦電路?

　　耦合指信號由第一級向第二級傳遞的過(guò)程，一般不加注明時(shí)往往是指交流耦合。

　　退耦是指對電源采取進(jìn)一步的濾波措施，去除兩級間信號通過(guò)電源互相干擾的影響。耦合常數是指耦合電容值與第二級輸入阻抗值乘積對應的時(shí)間常數。

　　退耦有三個(gè)目的：

　　1.將電源中的高頻紋波去除，將多級放大器的高頻信號通過(guò)電源相互串擾的通路切斷。

　　2.大信號工作時(shí)，電路對電源需求加大，引起電源波動(dòng)，通過(guò)退耦降低大信號時(shí)電源波動(dòng)對輸入級/高電壓增益級的影響;

　　3.形成懸浮地或是懸浮電源，在復雜的系 統中完成各部分地線(xiàn)或是電源的協(xié)調匹 有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著(zhù)電源線(xiàn)傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到地。

　　摘引自倫德全《電路板級的電磁兼容設計》一文，該論文對噪聲耦和路徑、去耦電容和旁路電容的使用都講得不錯。請參閱。

　　干擾的耦合方式

　　干擾源產(chǎn)生的干擾信號是通過(guò)一定的耦合通道對電控系統發(fā)生電磁干擾作用的。干擾的耦合方式無(wú)非是通過(guò)導線(xiàn)、空間、公共線(xiàn)等作用在電控系統上。

　　分析下來(lái)主要有以下幾種。

　　直接耦合：這是干擾侵入最直接的方式，也是系統中存在最普遍的一種方式。如干擾信號通過(guò)導線(xiàn)直接侵入系統而造成對系統的干擾。對這種耦合方式，可采用濾波去耦的方法有效地抑制電磁干擾信號的傳入。

　　公共阻抗耦合：這也是常見(jiàn)的一種耦合方式。常發(fā)生在兩個(gè)電路的電流有共同通路的情況。公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。防止這種耦合應使耦合阻抗趨近于零、使干擾源和被干擾對象間沒(méi)有公共阻抗。

　　電容耦合：又稱(chēng)電場(chǎng)耦合或靜電耦合，是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。

　　電磁感應耦合：又稱(chēng)磁場(chǎng)耦合。是由于內部或外部空間電磁場(chǎng)感應的一種耦合方式，防止這種耦合的常用方法是對容易受干擾的器件或電路加以屏蔽。

　　輻射耦合：電磁場(chǎng)的輻射也會(huì )造成干擾耦合，是一種無(wú)規則的干擾。這種干擾很容易通過(guò)電源線(xiàn)傳到系統中去。另當信號傳輸線(xiàn)較長(cháng)時(shí)，它們能輻射干擾波和接收干擾波，稱(chēng)為大線(xiàn)效應。

　　漏電耦合：所謂漏電耦合就是電阻性耦合。這種干擾常在絕緣降低時(shí)發(fā)生。記得以前我的觀(guān)點(diǎn)是：去藕電容一般容量比較大，也就是避免噪聲耦合到其他部分的意思;旁路電容容量小，提供低阻抗的噪聲回流路徑。 其實(shí)這種說(shuō)法也可以算沒(méi)有什么大錯誤。但是經(jīng)過(guò)偶查閱了相關(guān)資料，才發(fā)現其實(shí)decouple和bypass從根本上來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何區別，兩者在稱(chēng)謂上可以互換。兩者的作用低俗一點(diǎn)說(shuō)：當電源用。

　　所謂噪聲其實(shí)就是電源的波動(dòng)，電源波動(dòng)來(lái)自于兩個(gè)方面：電源本身的波動(dòng)，負載對電流需求變化和電源系統相應能力的差別帶來(lái)的電壓波動(dòng)。而去藕和旁路電容都是相對負載變化引起的噪聲來(lái)說(shuō)。所以他們兩個(gè)沒(méi)有必要做區分。而且實(shí)際上電容值的大小，數量也是有理論根據可循的，如果隨意選擇，可能會(huì )在某些情況下遇到去藕電容(旁路)和分布參數發(fā)生自激振蕩的情況。所以真正意義上的去藕和旁路都是根據負載和供電系 統的實(shí)際情況來(lái)說(shuō)的。沒(méi)有必要去做區分，也沒(méi)有本質(zhì)區別。

　　電容是板卡設計中必用的元件，其品質(zhì)的好壞已經(jīng)成為我們判斷板卡質(zhì)量的一個(gè)很重要的方面。

　?、匐娙莸墓δ芎捅硎痉椒?。

　　由兩個(gè)金屬極，中間夾有絕緣介質(zhì)構成。電容的特性主要是隔直流通交流，因此多用于級間耦合、濾波、去耦、旁路及信號調諧。電容在電路中用“C”加數字表示，比如C8，表示在電路中編號為8的電容。

　?、陔娙莸姆诸?lèi)。

　　電容按介質(zhì)不同分為：氣體介質(zhì)電容，液體介質(zhì)電容，無(wú)機固體介質(zhì)電容，有機固體介質(zhì)電容電解電容。按極性分為：有極性電容和無(wú)極性電容。按結構可分為：固定電容，可變電容，微調電容。

　?、垭娙莸娜萘?。

　　電容容量表示能貯存電能的大小。電容對交流信號的阻礙作用稱(chēng)為容抗，容抗與交流信號的頻率和電容量有關(guān)，容抗XC=1/2πf c (f表示交流信號的頻率，C表示電容容量)。

　?、茈娙莸娜萘繂挝缓湍蛪?。

　　電容的基本單位是F(法)，其它單位還有：毫法(mF)、微法(uF)、納法(nF)、皮法(pF)。由于單位F 的容量太大，所以我們看到的一般都是μF、nF、pF的單位。換算關(guān)系：1F=1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。

　　每一個(gè)電容都有它的耐壓值，用V表示。一般無(wú)極電容的標稱(chēng)耐壓值比較高有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。有極電容的耐壓相對比較低，一般標稱(chēng)耐壓值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。

　?、蓦娙莸臉俗⒎椒ê腿萘空`差。

　　電容的標注方法分為：直標法、色標法和數標法。對于體積比較大的電容，多采用直標法。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。

　　數標法：一般用三位數字表示容量大小，前兩位表示有效數字，第三位數字是10的多少次方。如：102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示20x10x10x10 PF。 nn色標法，沿電容引線(xiàn)方向，用不同的顏色表示不同的數字，第一、二種環(huán)表示電容量，第三種顏色表示有效數字后零的個(gè)數(單位為pF)。顏色代表的數值為：黑=0、棕=1、紅=2、橙=3、黃=4、綠=5、藍=6、紫=7、灰=8、白=9。

　　電容容量誤差用符號F、G、J、K、L、M來(lái)表示，允許誤差分別對應為±1%、±2%、±5%、±10%、±15%、±20%。

　?、揠娙莸恼摌O區分和測量。

　　電容上面有標志的黑塊為負極。在PCB上電容位置上有兩個(gè)半圓，涂顏色的半圓對應的引腳為負極。也有用引腳長(cháng)短來(lái)區別正負極長(cháng)腳為正，短腳為負。

　　當我們不知道電容的正負極時(shí)，可以用萬(wàn)用表來(lái)測量。電容兩極之間的介質(zhì)并不是絕對的絕緣體，它的電阻也不是無(wú)限大，而是一個(gè)有限的數值，一般在1000兆歐以上。電容兩極之間的電阻叫做絕緣電阻或漏電電阻。只有電解電容的正極接電源正(電阻擋時(shí)的黑表筆)，負端接電源負(電阻擋時(shí)的紅表筆)時(shí)，電解電容的漏電流才小(漏電阻大)。反之，則電解電容的漏電流增加(漏電阻減小)。這樣，我們先假定某極為“+”極，萬(wàn)用表選用R*100或R*1K擋，然后將假定的“+”極與萬(wàn)用表的黑表筆相接，另一電極與萬(wàn)用表的紅表筆相接，記下表針停止的刻度(表針靠左阻值大)，對于數字萬(wàn)用表來(lái)說(shuō)可以直接讀出讀數。然后將電容放電(兩根引線(xiàn)碰一下)，然后兩只表筆對調，重新進(jìn)行測量。兩次測量中，表針最后停留的位置靠左(或阻值大)的那次，黑表筆接的就是電解電容的正極。 nn⑦電容使用的一些經(jīng)驗及來(lái)四個(gè)誤區。

　　一些經(jīng)驗：在電路中不能確定線(xiàn)路的極性時(shí)，建議使用無(wú)極電解電容。通過(guò)電解電容的紋波電流不能超過(guò)其充許范圍。如超過(guò)了規定值，需選用耐大紋波電流的電容。電容的工作電壓不能超過(guò)其額定電壓。在進(jìn)行電容的焊接的時(shí)候，電烙鐵應與電容的塑料外殼保持一定的距離，以防止過(guò)熱造成塑料套管破裂。并且焊接時(shí)間不應超過(guò)10秒，焊接溫度不應超過(guò)260攝氏度。

　　四個(gè)誤區：

　　●電容容量越大越好。

　　很多人在電容的替換中往往愛(ài)用大容量的電容。我們知道雖然電容越大，為IC提供的電流補償的能力越強。且不說(shuō)電容容量的增大帶來(lái)的體積變大，增加成本的同時(shí)還影響空氣流動(dòng)和散熱。關(guān)鍵在于電容上存在寄生電感，電容放電回路會(huì )在某個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)生諧振。在諧振點(diǎn)，電容的阻抗小。因此放電回路的阻抗最小，補充能量的效果也最好。但當頻率超過(guò)諧振點(diǎn)時(shí)，放電回路的阻抗開(kāi)始增加，電容提供電流能力便開(kāi)始下降。電容的容值越大，諧振頻率越低，電容能有效補償電流的頻率范圍也越小。從保證電容提供高頻電流的能力的角度來(lái)說(shuō)，電容越大越好的觀(guān)點(diǎn)是錯誤的，一般的電路設計中都有一個(gè)參考值的。

　　●同樣容量的電容，并聯(lián)越多的小電容越好，耐壓值、耐溫值、容值、ESR(等效電阻)等是電容的幾個(gè)重要參數，對于ESR自然是越低越好。

　　ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關(guān)系。當電壓固定時(shí)候，容量越大，ESR越低。在板卡計中采用多個(gè)小電容并連多是出與PCB空間的限制，這樣有的人就認為，越多的并聯(lián)小電阻，ESR越低，效果越好。理論上是如此，但是要考慮到電容接腳焊點(diǎn)的阻抗，采用多個(gè)小電容并聯(lián)，效果并不一定突出。

　　●ESR越低，效果越好。

　　結合我們上面的提高的供電電路來(lái)說(shuō)，對于輸入電容來(lái)說(shuō)，輸入電容的容量要大一點(diǎn)。相對容量的要求，對ESR的要求可以適當的降低。因為輸入電容主要是耐壓，其次是吸收MOSFET的開(kāi)關(guān)脈沖。對于輸出電容來(lái)說(shuō)，耐壓的要求和容量可以適當的降低一點(diǎn)。ESR的要求則高一點(diǎn)，因為這里要保證的是足夠的電流通過(guò)量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會(huì )引起開(kāi)關(guān)電路振蕩。而消振電路復雜同時(shí)會(huì )導致成本的增加。板卡設計中，這里一般有一個(gè)參考值，此作為元件選用參數，避免消振電路而導致成本的增加。

　　●好電容代表著(zhù)高品質(zhì)。

　　“唯電容論”曾經(jīng)盛極一時(shí)，一些廠(chǎng)商和媒體也刻意的把這個(gè)事情做成一個(gè)賣(mài)點(diǎn)。在板卡設計中，電路設計水平是關(guān)鍵。和有的廠(chǎng)商可以用兩相供電做出比一些廠(chǎng)商采用四相供電更穩定的產(chǎn)品一樣，一味的采用高價(jià)電容，不一定能做出好產(chǎn)品。衡量一個(gè)產(chǎn)品，一定要全方位多角度的去考慮，切不可把電容的作用有意無(wú)意的夸大。

　　上拉與下拉

　　上拉電阻：

　　1、當TTL電路驅動(dòng)COMS電路時(shí)，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V)，這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。

　　2、OC門(mén)電路必須加上拉電阻，才能使用。

　　3、為加大輸出引腳的驅動(dòng)能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻。

　　4、在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

　　5、芯片的管腳加上拉電阻來(lái)提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。

　　6、提高總線(xiàn)的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

　　7、長(cháng)線(xiàn)傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。

　　上拉電阻阻值的選擇原則包括:

　　1、從節約功耗及芯片的灌電流能力考慮應當足夠大;電阻大，電流小。

　　2、從確保足夠的驅動(dòng)電流考慮應當足夠小;電阻小，電流大。

　　3、對于高速電路，過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩。綜合考慮

　　以上三點(diǎn),通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類(lèi)似道理

　　對上拉電阻和下拉電阻的選擇應結合開(kāi)關(guān)管特性和下級電路的輸入特性進(jìn)行設定，主要需要考慮以下幾個(gè)因素：

　　1. 驅動(dòng)能力與功耗的平衡。以上拉電阻為例，一般地說(shuō)，上拉電阻越小，驅動(dòng)能力越強，但功耗越大，設計是應注意兩者之間的均衡。

　　2. 下級電路的驅動(dòng)需求。同樣以上拉電阻為例，當輸出高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，上拉電阻應適當選擇以能夠向下級電路提供足夠的電流。

　　3. 高低電平的設定。不同電路的高低電平的門(mén)檻電平會(huì )有不同，電阻應適當設定以確保能輸出正確的電平。以上拉電阻為例，當輸出低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導通，上拉電阻和開(kāi)關(guān)管導通電阻分壓值應確保在零電平門(mén)檻之下。

　　4. 頻率特性。以上拉電阻為例，上拉電阻和開(kāi)關(guān)管漏源級之間的電容和下級電路之間的輸入電容會(huì )形成RC延遲，電阻越大，延遲越大。上拉電阻的設定應考慮電路在這方面的需求。

　　下拉電阻的設定的原則和上拉電阻是一樣的。

　　OC門(mén)輸出高電平時(shí)是一個(gè)高阻態(tài)，其上拉電流要由上拉電阻來(lái)提供，設輸入端每端口不大于100uA,設輸出口驅動(dòng)電流約500uA，標準工作電壓是5V，輸入口的高低電平門(mén)限為0.8V(低于此值為低電平);2V(高電平門(mén)限值)。

　　選上拉電阻時(shí)：

　　500uA x 8.4K= 4.2即選大于8.4K時(shí)輸出端能下拉至0.8V以下，此為最小阻值，再小就拉不下來(lái)了。如果輸出口驅動(dòng)電流較大，則阻值可減小，保證下拉時(shí)能低于0.8V即可。

　　當輸出高電平時(shí)，忽略管子的漏電流，兩輸入口需200uA

　　200uA x15K=3V即上拉電阻壓降為3V，輸出口可達到2V，此阻值為最大阻值，再大就拉不到2V了。選10K可用。COMS門(mén)的可參考74HC系列

　　設計時(shí)管子的漏電流不可忽略，IO口實(shí)際電流在不同電平下也是不同的，上述僅僅是原理，一句話(huà)概括為：輸出高電平時(shí)要喂飽后面的輸入口，輸出低電平不要把輸出口喂撐了(否則多余的電流喂給了級聯(lián)的輸入口，高于低電平門(mén)限值就不可靠了)