實(shí)測(cè)分析：怎么理解電容的直流偏壓特性？

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電容是電路中最常用的被動(dòng)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(diǎn)介紹這個(gè)注意事項(xiàng)，很容易采坑，本節(jié)以實(shí)際電容為例，介紹電容偏壓特性的影響。
9 |' f$ H6 K, J* u5 X, @7 ?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(shí)，電容值會(huì)隨著直流電壓的上升而降低。
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(shí)，1uF電容下降了33.6%，變成了1*(1-0.336)=0.664uF。
% m$ D" B0 Q3 {9 F2 k- ~$ I7 K那么怎么更直觀的理解這個(gè)參數(shù)的影響呢？實(shí)際電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中又如何規(guī)避偏壓影響呢？
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  [+ x) h! ~) w. m& `2 W我們以一階RC低通濾波電路為例，這樣介紹會(huì)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(gè)160Hz@1Vpp的正弦信號(hào)，輸出信號(hào)會(huì)衰減3dB，峰峰值變?yōu)?.7Vpp，頻率超過160Hz的信號(hào)會(huì)被衰減，而頻率低于160Hz的信號(hào)會(huì)通過，因此叫做低通濾波器。
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(hào)有區(qū)別，現(xiàn)在輸入信號(hào)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(shí)輸入241Hz@1Vpp的正弦信號(hào)，理論上輸出信號(hào)是241Hz@0.7Vpp。
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& S7 b  @2 Y: B相比于理論介紹，我知道大家都更喜歡實(shí)踐，接下來就實(shí)際接個(gè)電路測(cè)試下，測(cè)試電路和方法非常簡(jiǎn)單。電路就是上圖中的電路。
1 b5 Z, d9 g5 `用的1K的電阻，電容用的是GRT155C81C105KE13，容值為1uF，分別做兩種試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)都是在輸入端加載1Vpp的正弦信號(hào)，信號(hào)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(gè)過程稱為掃頻，網(wǎng)絡(luò)分析儀就是這個(gè)原理。
這兩種試驗(yàn)唯一區(qū)別是，試驗(yàn)1的信號(hào)是純交流信號(hào)，實(shí)驗(yàn)二會(huì)疊加一個(gè)4V的直流。
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下圖是試驗(yàn)1的測(cè)試結(jié)果，根據(jù)1K電阻和1uF電容計(jì)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(hào)，第二行是輸出的信號(hào)，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(diǎn)位置是160Hz，與前文理論分析結(jié)果是一致的。
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下圖是試驗(yàn)2的測(cè)試結(jié)果，與試驗(yàn)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(jì)算截止頻率理論上應(yīng)該是241Hz。
, }( `2 e+ g3 x) n! O第一行是輸入的260Hz@1Vpp正弦信號(hào)再疊加一個(gè)4V的直流信號(hào)，第二行是輸出的信號(hào)，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(diǎn)位置是260Hz，與前文理論分析結(jié)果的241Hz相差不大，基本一致。



從上面兩個(gè)試驗(yàn)可以看出，相同的電阻和電容，如果輸入信號(hào)疊加了直流電壓會(huì)影響到實(shí)際電容值，在輸入信號(hào)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。
0 N5 }8 K1 W! R7 I6 Q如果放大信號(hào)，后級(jí)的信號(hào)如果有偏置電壓，那么也要考慮這個(gè)偏置電壓的影響，并且選擇合適的電容，通常正負(fù)雙極性的雙向電源對(duì)此要求不高，而單電源的采集電路，信號(hào)一般會(huì)在Vcc/2基礎(chǔ)上波動(dòng)，這個(gè)直流電壓一定要在電路設(shè)計(jì)中就充分考慮。
- S+ a# {2 b# J3 P3 I$ G注意：通常的電路仿真軟件是無法仿真出實(shí)際電容這個(gè)偏置電壓的影響的，比如仿真軟件中的1uF就是1uF，不會(huì)隨著直流偏置電壓的改變而改變，這一點(diǎn)一定要注意！
6 q2 o$ e& s( 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(hào)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(shí)際應(yīng)用中積累豐富的理論指導(dǎo)原則和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才是關(guān)鍵。

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