為什么IC需要自己的去耦電容？
- 2022-12-15 15:00:00
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為了保證高頻輸入和輸出。
每個(gè)集成電路(IC)都必須使用電容將各電源引腳連接到器件上的地，原因有二：防止噪聲影響其本身的性能，以及防止它傳輸噪聲而影響其它電路的性能。
電力線就像天線一樣，可能會(huì)拾取其它地方的高頻(HF)噪聲，然后通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)和直接傳導(dǎo)等方式耦合到系統(tǒng)中。電源端的高頻噪聲會(huì)影響許多電路的性能，因此，必須將IC電源上存在的任何高頻噪聲短接到地。為實(shí)現(xiàn)噪聲短接，我們不能使用導(dǎo)體，因?yàn)樗鼤?huì)造成直流短路，燒毀保險(xiǎn)絲，但可以使用電容(通常為1nF至100nF)，它不僅能隔直，而且能實(shí)現(xiàn)高頻噪聲的短路連接。
1cm導(dǎo)線或PC走線具有大約8nH的電感(5Ω、100MHz時(shí))，很難形成短路。用作高頻短路的電容必須具有較低的引線和PC走線電感，因此，各電源電容必須非?？拷ヱ畹腎C的兩個(gè)引腳。選擇內(nèi)部電感較低的電容也很重要，通常使用陶瓷電容。
許多IC中的電路會(huì)在電源端產(chǎn)生高頻噪聲，這種噪聲也必須通過(guò)跨接在電源上的電容進(jìn)行短路，以免破壞系統(tǒng)的其它部分。同樣，引線和PC走線的長(zhǎng)度至關(guān)重要：一方面，長(zhǎng)引線會(huì)充當(dāng)電感，使短路不夠理想；另一方面，長(zhǎng)導(dǎo)體會(huì)充當(dāng)天線，通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)等方式將高頻噪聲傳輸?shù)较到y(tǒng)的其它部分。
因此，每個(gè)IC的每個(gè)電源引腳都應(yīng)通過(guò)電感非常低的電容連接到IC的地引腳，地引腳可能有多個(gè)，必須利用較寬的低電感PC走線將所有地引腳接合在一起，使之成為單個(gè)低阻抗等電位星型接地點(diǎn)，這一點(diǎn)非常重要。
采用去耦和不采用去耦的緩沖電路（測(cè)量結(jié)果）
為帶去耦電容器和不帶去耦電容器（C1 和C2）情況下用于驅(qū)動(dòng) R-C 負(fù)載的緩沖電路。我們注意到，在不使用去耦電容器的情況下，電路的輸出信號(hào)包含高頻 (3.8MHz) 振蕩。對(duì)于沒(méi)有去耦電容器的放大器而言，通常會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性低、瞬態(tài)響應(yīng)差、啟動(dòng)出現(xiàn)故障以及其它多種異常問(wèn)題。
帶去耦合和不帶去耦合情況下的電流
電源線跡的電感將限制暫態(tài)電流。 去耦電容與器件非常接近，因此電流路徑的電感很小。在暫態(tài)過(guò)程中，該電容器可在非常短的時(shí)間內(nèi)向器件提供超大量的電流。 未采用去耦電容的器件無(wú)法提供暫態(tài)電流，因此放大器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)會(huì)下垂（通常稱為干擾）。無(wú)去耦電容的器件其內(nèi)部電源干擾會(huì)導(dǎo)致器件工作不連續(xù)，原因是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)未獲得正確的偏置。
PCB板中去耦電容的分類
去耦電容在補(bǔ)償集成片或電路板工作電壓跌落時(shí)能起到儲(chǔ)能作用。它可以分成整體的、局部的和板間的三種。整體去耦電容又稱旁路電容，它工作于低頻（<1MHz）范圍狀態(tài)，為整個(gè)電路板提供一個(gè)電流源，補(bǔ)償電路板工作時(shí)產(chǎn)生的ΔI噪聲電流，保證工作電源電壓的穩(wěn)定。它的大小為PCB上所有負(fù)載電容和的50~100倍。它應(yīng)放置在緊靠PCB外接電源線和地線的地方，印制線密度很高的地方。這不僅不會(huì)減小低頻去耦，而且還會(huì)為PCB上布置關(guān)鍵性的印制線提供空間。
局部去耦電容有兩個(gè)作用。
第一，出于功能上的考慮：通過(guò)電容的充放電使集成片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，不會(huì)由于電壓的暫時(shí)跌落導(dǎo)致集成片功能受到影響；
第二，出于EMC考慮：為集成片的瞬變電流提供就近的高頻通道，使電流不至于通過(guò)環(huán)路面積較大的供電線路，從而大大減小向外的輻射噪聲。同時(shí)由于各集成片擁有自己的高頻通道，相互之間沒(méi)有公共阻抗，抑止了其阻抗耦合。局部去耦電容安裝在每個(gè)集成片的電源端子和接地端子之間，并盡量靠近集成片。
板間去耦電容是指電源面和接地面之間的電容，它是高頻率時(shí)去耦電流的主要來(lái)源。板間電容可以通過(guò)增加電源層和接地層間面積來(lái)增大。在PCB中，一些接地面可以布到了電源層，移去這些接地面，用電源隔離區(qū)代之，可以增加板間電容。
PCB板中去耦電容的大小
在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法，好的高頻去耦電容可以去除高到1GHz的高頻成分。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)印制線路板時(shí)，每個(gè)集成電路的電源、地之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開(kāi)門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。去耦電容的配置原則如下：
1、電源分配濾波電容
電源輸入端跨接一個(gè)10μF~100μF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。1μF,10μF電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進(jìn)入印制板的地方和一個(gè)1μF或10μF的去高頻電容往往是有利的，即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。
2、芯片配置去耦電容
為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容器。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1/μF的去耦電容有5nH分布電感，它的并行共振頻率在7MHz左右，也就是說(shuō)對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用，對(duì)40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4~10個(gè)芯片配置一個(gè)1μF~10μF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz~20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1μF~10μF而且漏電流很?。?.5μA以下）。去耦電容值的選取并不嚴(yán)格，可按C=1/f計(jì)算，即10MHz取0.1μF。對(duì)微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，取0.1μF~0.01μF之間都可以。
3、必要時(shí)加蓄放電容
每10片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選10μF。通常使用的大電容為電解電容，但是在濾波頻率比較高時(shí)，最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來(lái)的，這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感，最好使用鉭電容或聚碳酸酯電容。
良好與糟糕 PCB 板面布局的對(duì)比
除了使用去耦電容器外，還要在去耦電容器、電源和接地端之間采取較短的低阻抗連接。 將良好的去耦合板面布局與糟糕的布局進(jìn)行了對(duì)比。應(yīng)始終嘗試著讓去耦合連接保持較短的距離，同時(shí)避免在去耦合路徑中出現(xiàn)通孔，原因是通孔會(huì)增加電感。大部分產(chǎn)品說(shuō)明書都會(huì)給出去耦合電容器的推薦值。如果沒(méi)有給出，則可以使用 0.1uF。
PCB布板時(shí)去耦電容的擺放問(wèn)題
相信對(duì)做硬件的工程師，畢業(yè)開(kāi)始進(jìn)公司時(shí)，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，老工程師都會(huì)對(duì)他說(shuō)，PCB走線不要走直角，走線一定要短，電容一定要就近擺放等等。但是一開(kāi)始我們可能都不了解為什么這樣做，就憑他們的幾句經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦，當(dāng)然如果你沒(méi)有注意這些細(xì)節(jié)問(wèn)題，今后又犯了，可能又會(huì)被他們罵，“都說(shuō)了多少遍了電容一定要就近擺放，放遠(yuǎn)了起不到效果等等”，往往經(jīng)驗(yàn)告訴我們其實(shí)那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙，我們一開(kāi)始不會(huì)也不用難過(guò)，多看看資料很快就能掌握的。直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料，為什么設(shè)計(jì)PCB電容要就近擺放呢，等看了資料后就能了解一些，可是網(wǎng)上的資料很雜散，很少能找到一個(gè)很全方面講解的。工作兩年后，我看到了相關(guān)人士講的相關(guān)文章。下面這篇文章是我轉(zhuǎn)載于博士的一片關(guān)于電容去耦半徑的講解，相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問(wèn)題的發(fā)生。
老師 問(wèn)： 為什么去耦電容就近擺放呢?
學(xué)生 答： 因?yàn)樗杏行О霃脚叮诺倪h(yuǎn)了失效的。
電容去耦的一個(gè)重要問(wèn)題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片，多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來(lái)談這個(gè)擺放距離問(wèn)題。確實(shí)，減小電感是一個(gè)重要原因，但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒(méi)有提及，那就是電容去耦半徑問(wèn)題。如果電容擺放離芯片過(guò)遠(yuǎn)，超出了它的去耦半徑，電容將失去它的去耦的作用。
理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電流的需求發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng)，電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓)，就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間，因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣，電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。
當(dāng)擾動(dòng)區(qū)到電容的距離達(dá)到時(shí)，補(bǔ)償電流的相位為，和噪聲源相位剛好差180度，即完全反相。此時(shí)補(bǔ)償電流不再起作用，去耦作用失效，補(bǔ)償?shù)哪芰繜o(wú)法及時(shí)送達(dá)。為了能有效傳遞補(bǔ)償能量，應(yīng)使噪聲源和補(bǔ)償電流的相位差盡可能的小，最好是同相位的。距離越近，相位差越小，補(bǔ)償能量傳遞越多，如果距離為0，則補(bǔ)償能量百分之百傳遞到擾動(dòng)區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠(yuǎn)小于。實(shí)際應(yīng)用中，這一距離最好控制在之間，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
例如：0.001uF陶瓷電容，如果安裝到電路板上后總的寄生電感為1.6nH，那么其安裝后的諧振頻率為125.8MHz，諧振周期為7.95ps。假設(shè)信號(hào)在電路板上的傳播速度為166ps/inch，則波長(zhǎng)為47.9英寸。電容去耦半徑為47.9/50=0.958英寸，大約等于2.4厘米。
本例中的電容只能對(duì)它周圍2.4厘米范圍內(nèi)的電源噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，即它的去耦半徑2.4厘米。不同的電容，諧振頻率不同，去耦半徑也不同。對(duì)于大電容，因?yàn)槠渲C振頻率很低，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)非常長(zhǎng)，因而去耦半徑很大，這也是為什么我們不太關(guān)注大電容在電路板上放置位置的原因。對(duì)于小電容，因去耦半徑很小，應(yīng)盡可能的靠近需要去耦的芯片，這正是大多數(shù)資料上都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。
“旁路電容”和“去耦電容”
今天在看CAN總線資料時(shí)突然看到can原理圖TJA1050 CAN收發(fā)器 電源管腳 外接電源時(shí)節(jié)了一個(gè)電容到地，突然想起昨天同事說(shuō) 布線時(shí)電源要先連接電容再接到芯片電源管腳那時(shí)不知所云，但是今天又遇到所以便開(kāi)始了我的“瞎琢磨”....
這個(gè)電容到底有什么用呢？
為什么用的是0.1uf 大小的電容，這個(gè)值有沒(méi)有要求？
一查百度，發(fā)現(xiàn)他叫“旁路電容”，如果放在另外的位置它叫“去耦電容”，神奇呀！
下面我們來(lái)說(shuō)是“旁路電容”和“去耦電容”：（有點(diǎn)抄百度的節(jié)奏）
一.定義和區(qū)別
旁路（bypass）電容：是把輸入信號(hào)中的高頻成分作為濾除對(duì)象；
去耦（decoupling）電容：也稱退耦電容，是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象。
去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用，電容所處的位置不同，稱呼就不一樣了。
高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合電容一般比較大，是10u或者更大
二.作用
去耦電容:
去耦電容主要有2個(gè)作用：
（1）去除高頻信號(hào)干擾；
（2）蓄能作用；（而實(shí)際上，芯片附近的電容還有蓄能的作用，這是第二位的）
高頻器件在工作的時(shí)候，其電流是不連續(xù)的，而且頻率很高，而器件VCC到總電源有一段距離，即便距離不長(zhǎng)，在頻率很高的情況下，阻抗Z=i*wL+R，線路的電感影響也會(huì)非常大，會(huì)導(dǎo)致器件在需要電流的時(shí)候，不能被及時(shí)供給。而去耦電容可以彌補(bǔ)此不足。這也是為什么很多電路板在高頻器件VCC管腳處放置小電容的原因之一（在vcc引腳上通常并聯(lián)一個(gè)去耦電容，這樣交流分量就從這個(gè)電容接地。）
附加：
所謂的藕合：是在前后級(jí)間傳遞信號(hào)而不互相影響各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的元件 有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。 從電路來(lái)說(shuō)，總是存在驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。 去耦電容就是起到一個(gè)電池的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。
為什么用的是0.1uf 大小的電容，這個(gè)值有沒(méi)有要求？
有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。
去耦電容在集成電路電源和地之間有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1μF。這個(gè)電容的分布電感的典型值是5μH。0.1μF的去耦電容有5nH的分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說(shuō)，對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對(duì)40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。1μF、10μF的電容，并行共振頻率在2MHz以上，去除高頻噪聲的效果要好一些。每10片左右集成電路要加一片充放電電容，或1個(gè)蓄能電容，可選10μF左右。最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來(lái)的，這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴(yán)格，其電容值可按C=1/F來(lái)計(jì)算，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。
簡(jiǎn)單總結(jié)——去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用。對(duì)于同一電路來(lái)說(shuō)，旁路電容是把輸入信號(hào)中的高頻噪聲作為濾除對(duì)象，把前級(jí)攜帶的高頻雜波濾除，而去耦電容也稱退耦電容，是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來(lái)消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。
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