在硬件电路设计领域，电源滤波环节中电容的选择至关重要。其中，大电容与小电容搭配使用的方案策略是一个常见且关键的设计要点。接下来，我们将深入探讨这一方案的相关知识。

常见疑问

在电源滤波过程中，有许多常见的疑问。比如，为何常见电路中多采用大电容和小电容搭配使用？电路中电容的取值依据是什么？常说的滤波电容瓷片电容 0.1uf 究竟有何特殊之处？如何区分低频信号和高频信号，其参考值是多少？又该如何区分大电容和小电容，参考值是什么？此外，电容具有滤波、去耦、旁路、储能等多种作用。
在实际项目中，电容的取值有不同的例子。例如，3.3V 电源滤波电容值有 0.1uf、1uf、10uf ；BAT 电源滤波电容值有 0.1uf（100nf）、100uf； +6V 电源端滤波电容值有 0.1uf、22uf。

电容理论知识

1. 大电容特点：大电容通常体积较大，采用多层卷绕的结构，这会导致其具有较大的分布电感（等效串联电感，ESL）。由于电感对高频信号的阻抗较大，所以大电容在高频信号中的表现不佳。
2. 小电容特点：小电容因容量较小，体积可以做得更小，引脚长度的减少降低了 ESL。其采用平板电容结构，具有良好的高频性能，但对于低频信号的阻抗较大。
3. 实际组合使用的方案策略：为了有效滤除低频和高频信号，通常将一个大电容与一个小电容并联使用。大电容主要用于滤除低频噪声，因为它对低频信号的阻抗较低；小电容用于滤除高频噪声，0.1uf 瓷片电容在这种应用中表现良好，对于更高频率的信号，可并联几 pf 或几百 pf 的电容。
4. 实际应用：在数字电路中，每个芯片的电源引脚上通常会并联一个 0.1uf 的电容到地，这种电容被称为去耦电容（或电源滤波电容），目的是滤除高频信号。电容应尽可能靠近芯片，以提高滤波效果。在 PCB 布局中，要考虑电容的作用，不能只做简单的拉线。
   
   
5. 电容的阻抗特性：理想情况下，电容的阻抗随频率的增加而降低 (Z = 1/jwC)。但实际电容因引脚的分布电感效应并非完全理想，当频率超过电容的自谐振频率（SRF）时，电容的阻抗表现出电感特性，高频下阻抗反而增加，电感也有类似特性。大电容与小电容的组合能有效覆盖从低频到高频的信号范围，实现优良的电源滤波效果。

电容选型

1. 如何选择滤波电容的容值：滤波电容的容值需根据 PCB 主要工作频率以及可能影响系统的谐波频率来决定。可查阅相关厂商提供的电容资料，或参考厂商的资料库软件，结合实际需求选择。
2. 电容的数量：滤波电容的数量没有固定标准，要根据具体需求决定。可先多加一两个电容，暂时不需要的可以先不贴，根据实际调试情况选择适合的容值。如果 PCB 主要工作频率较低，加两个电容通常就够了，一个用于滤除纹波，一个滤除高频信号；若会出现较大的瞬时电流，建议再增加一个较大的钽电容。
3. 滤波方式：去耦与旁路：滤波电容的作用包括去耦和旁路。一般来说，数字电路中的去耦电容选择 0.1uf 即可，适合于 10MHZ 以下的频率；20MHz 以上的频率需要 1 到 10uf 的电容来更好地去除高频噪声，具体可选择 C = 1/f 来计算。旁路电容一般选择较小的容值，根据谐振频率，通常选择 0.1uf 或 0.01uf。
4. 电容等效阻抗公式：无论电容被称为旁路电容、去耦电容还是滤波电容，其原理都是利用电容对交流信号呈现低阻抗的特性。电容的等效阻抗公式为：
   
   在公式中，工作频率 f 越高，电容值 C 越大，则电容的阻抗 Xcap 越小。在电路中，电容根据其主要作用有不同的称呼：若为交流信号提供低阻抗通路，称为旁路电容；若增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，称为去耦电容；用于滤波电路中，则称为滤波电容。此外，对于直流电压，电容器还可作为电路的储能元件，利用充放电起到类似电池的作用。

电容谐振频率

1. 公式：电容在电路中的作用往往是多方面的，为简化，本文将应用于高速 PCB 设计中的电容统称为旁路电容。电容基本功能是通交流、隔直流，理论上用于电源滤波的电容越大越好，但由于引线和 PCB 布线的影响，电容在交流信号下的等效电路是电阻、电感、电容的串联，引出了谐振频率的概念：
   
   电容的阻抗随频率变化的曲线呈 V 字型，阻抗点对应的频率是电容的谐振频率。在谐振频率点，电容表现的容抗，在 f0 点左侧电容表现为容性，在 f0 右侧电容表现为感性。滤波要选择对应纹波噪声频率处阻抗低的电容，这样滤波效果好。
   
   
   
   
   
2. 封装形式对应谐振频率参考：在谐振频率以下，电容呈容性；在谐振频率以上，电容呈感性。大电容一般用于低频滤波，小电容用于滤高频波。同样容值的电容，SMT 封装比 DIP 封装的滤波频率更高，在高速数字电路和射频应用中，SMT 电容器更受青睐。以下是一些电容值与其对应的谐振频率参考：
   
   
   
   
3. 从瓷片电容曲线可知，容量大的电容整体阻抗小，谐振频率低，主要滤除频率相对较低的纹波和噪声；容量小的电容整体阻抗大，谐振频率高，主要滤除频率相对较高的纹波和噪声。铝电解电容的谐振频率一般在 10kz 到 100khz 左右，主要滤除低频的纹波和噪声。所以对芯片电源滤波时，要根据实际纹波和噪声的频率选择电容的容值。
   
   并联电容的阻抗曲线，电容并联后有两个阻抗相对较低点，能增大滤除的纹波和噪声的频率范围。多个同样容值的电容并联，虽不能改变电容并联的谐振频率，但能整体降低电容的阻抗，对滤除该谐振频率附近的纹波和噪声有作用。
   
   通常将一个大电容和一个小电容并联，要求两者的容值相差两个数量级以上，可覆盖更广的滤波频段。大电容滤除低频段，小电容滤除高频段，电容值与所需的频率的平方成反比。
4. 自谐振频率（SRF）：在实际设计中，确定电容的自谐振频率（SRF）会有疑问。自谐振频率（SRF）受电容值和电容引脚电感的影响，相同容值的不同封装形式的 SRF 值可能不同。可查看器件数据手册获取 SRF 值，例如 22pf 的 0402 电容其 SRF 值大约为 2GHz。
5. 评估电容效果：可通过软件仿真和实际电路测试评估电容效果。使用仿真软件检查电容在电源滤波电路中的表现，确保在所需工作频带内提供足够的噪声抑制。在实际电路中，如手机等设备的 LNA（低噪声放大器）电源滤波中，良好的电源滤波能显著改善接收灵敏度，可根据实际测试结果进一步优化电路设计。
6. 总结：可以把电容想象成一个漏水的容器，交流电的峰值到来就像往容器里加水。高频信号（频繁加水）需要一个较小的容器（小电容）来保持水位稳定；低频信号（加水次数较少）则需要一个较大的容器（大电容）来减少因漏水导致的水位下降。通过合适的电容选择，可以更好地维持电源的稳定性和滤波效果。