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電容耦合

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電子學中,電容耦合(英語:capacitive coupling)是電子耦合的一種,它藉助電路之間的電容來進行能量的傳輸。這種耦合設計可以產生合乎預期的效應,亦可能產生一些偶然的效應。電容耦合通常是在串聯電路中安置電容器來實現信號的耦合。[1]

在模擬電路中的應用

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以聚酯為材料的薄膜電容器,這種電容器常在兩級電路之間使用。

模擬電路中,耦合的電容器被用於不同電路的級聯,由於電容本身的性質,只有交流信號能夠通過耦合到達下一級電路,而直流信號則被阻隔。[2]這項技術可以對兩個耦合的電路的直流偏置英語DC bias進行隔離。因此,電容耦合有時又被稱為「交流耦合」,其中用到的耦合電容常被稱為「直流隔離電容」。如果描述的對象特指直流信號,那麼可以用「去耦合電容」來描述電容耦合對於直流信號的阻擋。電容耦合的缺點在於,它將使低頻信號在通過耦合時被削弱。耦合電容和下一級電路的輸入阻抗可以構成一個高通濾波器。為了保留信號中的低頻部分,有時會需要使用較大的電容。

在電力傳輸中的應用

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在電力領域,電容耦合可以在非接觸式電力傳輸中發揮作用。其主要原理是在平板電容器兩端施加交變的電壓,從而使能量發生傳輸。相較於傳統以高頻磁場為基礎的電力傳輸途徑會受到環境中某些金屬導體的屏蔽,電容耦合可以不受電容區域內部金屬的影響,抗干擾能力也得以提升。[3]

寄生電容耦合

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如果兩條導線之間的距離過小,或者印刷電路板的布線太密集,那麼可能產生不希望得到的電容耦合,稱為寄生電容。如果電路中產生了明顯的寄生電容,那麼本來不耦合的信號之間就發生了耦合,常常使理想的信號中混入了噪聲[2]為了緩解寄生電容耦合,導線的布置需要儘可能保持一定的距離,並使接地的連線安排在容易發生串擾的信號導線之間。麵包板容易產生寄生電容耦合的現象,這是因為導線之間會產生幾皮法的寄生電容。對於高頻、高增益的電路,設計人員常常把這部分電路設計在地線層(Ground plane)上,這樣使得信號和地之間的耦合比信號之間的耦合更占優勢。如果放大器電路的增益較高,並且其輸出端和輸入端通過電容進行耦合,那麼將產生信號的激盪,從而構成一個振盪器

寄生電容還會導致信號傳遞的延遲,這樣的延遲在超大規模集成電路中的負面效果十分顯著。在進行半導體器件製造時,研究人員會通過各種方式來改善器件結構,儘可能地降低寄生電容帶來的負面效應。前端的集成電路設計人員則會在物理設計時提取寄生電容參數,通過合理的布局布線版圖設計來緩解電路的延遲。[4]

參考文獻

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  1. ^ Joffe, Elya. Grounds for Grounding:A Circuit to System Handbook. Wiley-IEEE. 2010: 277. ISBN 0-471-66008-6. 
  2. ^ 2.0 2.1 童詩白,華成英. 模拟电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社. 2006. ISBN 978-7-04-018922-3. 
  3. ^ 胡友強,戴欣. 基于电容耦合的非接触电能传输系统模型研究. 儀器儀表學報. 2010, 31 (9). 
  4. ^ 喻文健,王澤毅. 三维VLSI互连寄生电容提取的研究进展. 計算機輔助設計與圖形學學報. 2003, 15 (1).