用隔直电容时候需要注意什么呢？

在一些应用里会用到隔直电容，以把直流部分滤除掉，只通过交流。最常见的目的，可能就是滤除环境中无处不在的50Hz（或60Hz）工频干扰，比如示波器的交流耦合。

还有一些应用里，比如测脉冲信号的光电放大电路，平时可能会有一个直流电平，所以脉冲信号到来时，它是叠加在直流电平之上。如果我们希望得到一个幅值比较大的脉冲信号，需要两级放大，那么中间就会用到隔直电容，用于把直流电平滤除，只放大有用的脉冲信号。这是因为放大电路输出范围是有限的，以及ADC输入范围有限。

图1 隔直电容的用途之一，滤除掉直流偏置只放大有用的交流信号，因为电源范围是有限的

那么用隔直电容时候需要注意什么呢 ？我想到了两点：第一，放大脉冲信号时候需要注意，隔直电容可能会带来的负脉冲即波形下冲问题。第二，信号链的电容尽量选型NPO、COG，这样失真较小。

仿真电路如图2所示。输入为脉冲信号，仿真看看它会出现啥问题。输入脉冲波形见图3，仿真结果参见图4，可以看到一个负脉冲，它是怎么回事呢？ 理解这个负脉冲的关键，就是要知道电容的特性，即电容的电压不能突变 。电容存储的能量公式为E=1/2CV^2，能量是不能突变的，所以电容电压不能够突变。就像环境温度是不能突变的一样，四季更迭总要有一个过度嘛。

根据KVL可以得到，V1=Vc1+Vout。脉冲信号升高到3V时候，Vout为正电压，是没有问题的，此时电容两端是有压降的，Vc1=V1-Vout。脉冲信号降低到0V后会发生什么呢？由于前面介绍过的电容特性，它两端电压无法突变，Vc1不为零，所以这时候Vout就变成负的了。就像万用表测量电池两极电压，如果红色表笔贴在负极，黑色表笔贴在正极，测量得到的电池电压就是负的了。

图2 隔直电容用于脉冲信号放大应用的简略图示（戴维南等效后基本就是这个样子了），一般后面会接一个放大器

图3 输入的脉冲信号波形

图4 图2的仿真结果，可以看到一个负脉冲，它是怎么回事呢？

图5 输入输出全部显示

解决这个负脉冲，即所谓的波形下冲的办法有两个，第一是增加电容容值，第二是增加电阻阻值。关键都是要减小Vc1 ，参见图2。从电路方程中可以定性知道原因，V1=Vc1+Vout，那么，Vc1=V1-Vout=V1-IR1=V1-C*dv/dt*R1——从公式中可以得到，当C或者R越大的时候，Vc1是越小的。也就是负脉冲值越小了。

图6 参见图2，只是将R1从10K改为10M，负脉冲变得很小了

图7 参见图2，只是将C1从10p改为100n，负脉冲同样变得很小了

解决这个负脉冲，那么到底怎么改更好呢，是一味增加容值，还是一味增加阻值呢？我觉得从失真角度考虑的话，最好满足下冲需求情况下，是可以增加阻值到可以有NPO/COG型号电容可选的情况下，当然电阻引入的热噪声又可以接受。

因为电阻很小的话，电容就需要很大才行了。图7为X7R电容特性，它的容值定义为在0V偏置电压的电容量，当施加在电容两端电容变大后，它的容值会变小。图8更直观，电容容值跟随两端正弦波电压变化趋势，正弦波幅值越高，电容容值越小。而NPO/COG电容容值是很稳定的。

图8 X7R电容的特性

图9 电容两端施加正弦波，可以看到电容容值是在变化的

图10 三星COG电容容值随着电压变化是很稳定的

不过为了选型COG/NPO电容，为了满足负脉冲幅值更小的需求，可能需要把电阻设置的非常大才行，因为COG/NPO电容容值都相对较小。而像10M电阻的热噪声是非常高的，达到了4uV/sqrt(Hz)——这是非常高的了，一般低噪声运放的电压噪声只有4nV/sqrt(Hz)，一万倍！所以如果选不到，只用普通的X7R电容也是可以的。看到一个TI的资料，建议将截止频率点设置高一些，失真会非常小，参见图9。

图11 低失真的高通RC设置要点

最后总结一下，本文主要是整理了隔直电容用于测脉冲应用时候，会出现的负脉冲现象的原因和解决办法。都是比较定性的去理解，我觉得这就够了，配合仿真软件是可以满足需求的。从失真角度考虑，隔直电容选型一类陶瓷电容理论上当然会更好，但一般这种类型电容可能容值不够，参考TI的资料，选普通的陶瓷电容也不会遇到啥问题，只要截止频率低于实际应用频率的20倍就跟没有隔直电容的效果是一样的。不过ADC前端驱动电路中的电容最好选一类陶瓷电容。失真部分是我在纸上谈兵，实际没测过失真，只是在资料里看到过。

彻底解决负脉冲即所谓的下冲问题，只是简单的用电容是不行的，有一些文献里介绍了相对复杂的电路。而这在一些应用里是必须的。