簡單粗暴：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介紹這個注意事項，很容易采坑，本節(jié)以實際電容為例，介紹電容偏壓特性的影響。

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，電容值會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，1uF電容下降了33.6%，變成了1*(1-0.336)=0.664uF，那么怎么更直觀的理解這個參數(shù)的影響呢？實際電路設(shè)計應(yīng)用中又如何規(guī)避偏壓影響呢？

我們以一階RC低通濾波電路為例，這樣介紹會更直觀，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160Hz@1Vpp的正弦信號，輸出信號會衰減3dB，峰峰值變?yōu)?.7Vpp，頻率超過160Hz的信號會被衰減，而頻率低于160Hz的信號會通過，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)，只有輸入信號有區(qū)別，現(xiàn)在輸入信號疊加了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，此時輸入241Hz@1Vpp的正弦信號，理論上輸出信號是241Hz@0.7Vpp。

相比于理論介紹，我知道大家都更喜歡實踐，接下來就實際接個電路測試下，測試電路和方法非常簡單，電路就是上圖中的電路，用的1K的電阻，電容用的是GRT155C81C105KE13，容值為1uF，分別做兩種試驗，兩種試驗都是在輸入端加載1Vpp的正弦信號，信號頻率從1Hz掃描到10KHz，采集輸出端的波形，畫出增益曲線（伯德圖），這個過程稱為掃頻，網(wǎng)絡(luò)分析儀就是這個原理，這兩種試驗唯一區(qū)別是，試驗1的信號是純交流信號，實驗二會疊加一個4V的直流。

下圖是試驗1的測試結(jié)果，根據(jù)1K電阻和1uF電容計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，第二行是輸出的信號，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頻點位置是160Hz，與前文理論分析結(jié)果是一致的。

下圖是試驗2的測試結(jié)果，與試驗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電容計算截止頻率理論上應(yīng)該是241Hz。第一行是輸入的260Hz@1Vpp正弦信號再疊加一個4V的直流信號，第二行是輸出的信號，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。

從上面兩個試驗可以看出，相同的電阻和電容，如果輸入信號疊加了直流電壓會影響到實際電容值，在輸入信號不同的情況下，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。如果放大信號，后級的信號如果有偏置電壓，那么也要考慮這個偏置電壓的影響，并且選擇合適的電容，通常正負雙極性的雙向電源對此要求不高，而單電源的采集電路，信號一般會在Vcc/2基礎(chǔ)上波動，這個直流電壓一定要在電路設(shè)計中就充分考慮。

注意：通常的電路仿真軟件是無法仿真出實際電容這個偏置電壓的影響的，比如仿真軟件中的1uF就是1uF，不會隨著直流偏置電壓的改變而改變，這一點一定要注意！

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，而在實際應(yīng)用中積累豐富的理論指導(dǎo)原則和實踐經(jīng)驗才是關(guān)鍵。

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