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十年经验 关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用及其原理 滤波电容、去耦电容、旁路电容作用及原理 从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。这就是耦合。
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关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用及其
原理 十年经验解剖
设计 /操作系统 /技术
滤波电容、去耦电容、旁路电容作用及原理
从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大,驱动电路要把电容
充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电
流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生
反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。这就
是耦合。
去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。
旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提
高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是 , 等,
而去耦合电容一般比较大,是 或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大
小来确定。
去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电池,避免由于电流的突变而使电压下降,相
当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去
耦电容一般都很大,对更高频率的噪声,基本无效。旁路电容就是针对高频来的,也就是利
用了电容的频率阻抗特性。电容一般都可以看成一个 串联模型。在某个频率,会发生谐
振,此时电容的阻抗就等于其 。如果看电容的频率阻抗曲线图,就会发现一般都是一个
形的曲线。具体曲线与电容的介质有关,所以选择旁路电容还要考虑电容的介质,一个比
较保险的方法就是多并几个电容。
去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方
面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是 。这个电容的分布电感
的典型值是 。 的去耦电容有 的分布电感,它的并行共振频率大约在
左右,也就是说,对于 以下的噪声有较好的去耦效果,对 以上的噪声几乎
不起作用。、 的电容,并行共振频率在 以上,去除高频噪声的效果要好一
些。每 片左右集成电路要加一片充放电电容,或 个蓄能电容,可选 左右。最好不
用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使
用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格,可按 ,即 取
, 取 。
退耦原理: (去耦即退耦)
高手和前辈们总是告诉我们这样的经验法则:“在电路板的电源接入端放置一个 ~ 的
电容,滤除低频噪声;在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个 ~ 的电容,
滤除高频噪声。”在书店里能够得到的大多数的高速 设计、高速数字电路设计的经典教
程中也不厌其烦的引用该首选法则(老外俗称 !"#)。但是为什么要这样使用呢?
首先就我的理解介绍两个常用的简单概念。
什么是旁路?旁路($%&''),是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。电源
中高频干扰是典型的无用成分,需要将其在进入目标芯片之前提前干掉,一般我们采用电容
到达该目的。用于该目的的电容就是所谓的旁路电容($%&''&%&()*+),它利用了电容
的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的升高,阻抗降低,这个地球人都知道),可
以看出旁路电容主要针对高频干扰(高是相对的,一般认为 以上为高频干扰,
以下为低频纹波)。
什么是退耦?退耦(-(%), 最早用于多级电路中,为保证前后级间传递信号而不互
相影响各级静态工作点的而采取的措施。在电源中退耦表示,当芯片内部进行开关动作或输
出发生变化时,需 要瞬时从电源在线抽取较大电流,该瞬时的大电流可能导致电源在线电压
的降低,从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰,需要在芯片附近设置一个
储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。
在电源电路中,旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器
件本身的干扰(自我保护);退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰(家丑不外扬)。
有人说退耦是针对低频、旁路是针对高频,我认为这样说是不准确的,高速芯片内部开关操
作可能高达上 .,由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围,为此目的的退耦
电容同样需要有很好的高频特性。本文以下讨论中并不刻意区分退耦和旁路,认为都是为了
滤除噪声,而不管该噪声的来源。
简单说明了旁路和退耦之后,我们来看看芯片工作时是怎样在电源线上产生干扰的。我们建
立一个简单的 /01+ 模型,输出采用图腾柱 /0 驱动电路,由两个互补 0 管组成的输
出级驱动一个带有串联源端匹配电阻的传输线(传输线阻抗为 2)。
设电源引脚和地引脚的封装电感和引线电感之和分别为:3 和 4。两个互补的 0 管(接
地的 50 和接电源的 0)简单作为开关使用。假设初始时刻传输在线各点的电压和电
流均为零,在某一时刻器件将驱动传输线为高电平,这时候器件就需要从电源管脚吸收电流。
在时间 ,使 0 管导通,电流从 板上的 流入,流经封装电感 3,跨越
0 管,串联终端电阻,然后流入传输线,输出电流幅度为 (62)。电流在传输
线网络上持续一个完整的返回(78 +)%)时间,在时间 结束。之后整个传输线处于
电荷充满状态,不需要额外流入电流来维持。当电流瞬间涌过封装电感 3 时,将在芯片内部
的电源提供点产生电压被拉低的扰动。该扰动在电源中被称之为同步开关噪声
(5,)"*&7'9)*(!)745)';0,)"*&7'9)*(!)740*%*
5)')或 -*&/ 噪声。
在时间 :,关闭 0 管,这一动作不会导致脉冲噪声的产生,因为在此之前 0 管一
直处于打开状态且没有电流流过的。同时打开 50 管,这时传输线、地平面、封装电感
4 以及 50 管形成一回路,有瞬间电流流过开关 ,这样在芯片内部的地结点处产生参
考电平点被抬高的扰动。该扰动在电源系统中被称之为地弹噪声(.+787(,我个
人读着地 *&7)。
实际电源系统中存在芯片引脚、 走线、电源层、底层等任何互联机都存在一定电感值,
因此上面就 / 级分析的 5 和地弹噪声在进行 &+83 分析时,以同样的方式存在,
而不仅仅局限于芯片内部。就整个电源分布系统来说(9+-)'*+)#*$'*")来说,
这就是所谓的电源电压塌陷噪声。因为芯片输出的开关操作以及芯片内部的操作,需要瞬时
的从电源抽取较大的电流,而电源特性来说不能快速响应该电流变化,高速开关电源开关频
率也仅有 量级。为了保证芯片附近电源在线的电压不至于因为 5 和地弹噪声降低超
过器件手册规定的容限,这就需要在芯片附近为高速电流需求提供一个储能电容,这就是我
们所要的退耦电容。
所以电容重要分布参数的有三个:等效串联电阻 等效串联电感 、等效并联电阻
%。其中最重要的是 、 ,实际在分析电容模型的时候一般只用 简化模型,
即分析电容的 、、。因为寄生参数的影响,尤其是 的影响,实际电容的频率
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