去耦電容

去耦：去除在器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入到配電網(wǎng)絡(luò)中的RF能量。去耦電容還可以為器件供局部化的DC電壓源，它在減少跨板浪涌電流方面特別有用。

旁路：從元件或電纜中轉(zhuǎn)移出不想要的共模RF能量。這主要是通過(guò)產(chǎn)生AC旁路消除無(wú)意的能量進(jìn)入敏感的部分，另外還可以提供基帶濾波功能（帶寬受限）。

我們經(jīng)?？梢钥吹?，在電源和地之間連接著去耦電容，它有三個(gè)方面的作用：一是作為本集成電路的蓄能電容；

二是濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路；

三是防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路構(gòu)成干擾。

在電子電路中，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。對(duì)于同一個(gè)電路來(lái)說(shuō)，旁路（bypass）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（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。

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，配置原則如下：

●電源輸入端跨接一個(gè)10～100uF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。

●為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01uF的陶瓷電容器。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)1～10uF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1Ω，而且漏電流很?。?.5uA以下）。

●對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線（Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。

●去耦電容的引線不能過(guò)長(zhǎng)，特別是高頻旁路電容不能帶引線。

說(shuō)到電容，各種各樣的叫法就會(huì)讓人頭暈?zāi)垦?，旁路電容，去耦電容，濾波電容等等，其實(shí)無(wú)論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗的特性，這一點(diǎn)可以通過(guò)電容的等效阻抗公式看出來(lái)：Xcap=1/2лfC，工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小.。在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號(hào)提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容；如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號(hào)對(duì)電源的影響，就可以稱為去耦電容；如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容；除此以外，對(duì)于直流電壓，電容器還可作為電路儲(chǔ)能，利用沖放電起到電池的作用。而實(shí)際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計(jì)中的電容都稱為旁路電容。

一般濾波是用兩個(gè)電容并聯(lián)，一個(gè)大，一個(gè)小。如0.1UF 100PF 并聯(lián)。

這樣大的可以濾除低頻，而且還可以蓄容，是電壓紋波降低而小的電容濾除高頻。起旁路作用。因?yàn)殡娙莸奶匦允峭ǜ哳l，阻低頻。這樣組合比較好。一般在高頻地方，都接一個(gè)小電容，起旁路作用。

電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說(shuō)電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，（還有電容本身的電阻，有時(shí)也不可忽略）

這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/(LC)1/2

在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。

因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。

至于到底用多大的電容，這是一個(gè)參考，電容諧振頻率

電容值 DIP (MHz) STM (MHz)

1.0μF 2.5 5

0.1μF 8 16

0.01μF 25 50

1000pF 80 160

100 pF 250 500

10 pF 800 1.6(GHz)

不過(guò)僅僅是參考而已，用老工程師的話說(shuō)——主要靠經(jīng)驗(yàn)。

更可靠的做法是將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián)，一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以獲得更大的濾波頻段。

旁路電容

旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。旁路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電容和鉭電容比較適合作旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10至470μF范圍內(nèi)。若PCB板上有許多集成電路、高速開(kāi)關(guān)電路和具有長(zhǎng)引線的電源，則應(yīng)選擇大容量的電容。"

去耦電容

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。實(shí)際上，旁路電容和去耦電容都應(yīng)該盡可能放在靠近電源輸入處以幫助濾除高頻噪聲。去耦電容的取值大約是旁路電容的1/100 到1/1000。為了得到更好的EMC特性，去耦電容還應(yīng)盡可能地靠近每個(gè)集成塊（IC），因?yàn)椴季€阻抗將減小去耦電容的效力。陶瓷電容常被用來(lái)去耦，其值決定于最快信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。例如，對(duì)一個(gè) 33MHz的時(shí)鐘信號(hào)，可使用4.7nF到100nF的電容；對(duì)一個(gè)100MHz時(shí)鐘信號(hào)，可使用10nF的電容。選擇去耦電容時(shí)，除了考慮電容值外，ESR值也會(huì)影響去耦能力。為了去耦，應(yīng)該選擇ESR值低于1歐姆的電容。

兩者的區(qū)別：

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。

去藕電容就是起到一個(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。

旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。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，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。

旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

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旁路電容是把電源或者輸入信號(hào)中的交流分量的干擾作為濾除對(duì)象。

有了旁路電容，將電源5V中的交流分量——波動(dòng)進(jìn)行濾除。將藍(lán)色波形變成粉紅色波形。一般來(lái)說(shuō)，靠近電源放置。

去耦電容是芯片的電源管腳，由于自身用電過(guò)程中信號(hào)跳變產(chǎn)生的電源管腳對(duì)外的波形輸出，我們用電容進(jìn)行濾除。

把信號(hào)電源管腳，輸出干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。

尖峰電流的形成：

數(shù)字電路輸出高電平時(shí)從電源拉出的電流Ioh和低電平輸出時(shí)灌入的電流Iol的大小一般是不同的，即：Iol＞Ioh。以下圖的TTL與非門(mén)為例說(shuō)明尖峰電流的形成：

輸出電壓如右圖（a）所示，理論上電源電流的波形如右圖（b），而實(shí)際的電源電流保險(xiǎn)如右圖（c）。由圖（c）可以看出在輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平時(shí)電源電流有一個(gè)短暫而幅度很大的尖峰。尖峰電源電流的波形隨所用器件的類(lèi)型和輸出端所接的電容負(fù)載而異。

產(chǎn)生尖峰電流的主要原因是：

輸出級(jí)的T3、T4管短設(shè)計(jì)內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通。在與非門(mén)由輸出低電平轉(zhuǎn)向高電平的過(guò)程中，輸入電壓的負(fù)跳變?cè)赥2和T3的基極回路內(nèi)產(chǎn)生很大的反向驅(qū)動(dòng)電流，由于T3的飽和深度設(shè)計(jì)得比T2大，反向驅(qū)動(dòng)電流將使T2首先脫離飽和而截止。T2截止后，其集電極電位上升，使T4導(dǎo)通。可是此時(shí)T3還未脫離飽和，因此在極短得設(shè)計(jì)內(nèi)T3和T4將同時(shí)導(dǎo)通，從而產(chǎn)生很大的ic4，使電源電流形成尖峰電流。圖中的R4正是為了限制此尖峰電流而設(shè)計(jì)。

這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。去耦電容相當(dāng)于電池，避免由于電流的突變而使電壓下降，相當(dāng)于濾紋波。具體容值可以根據(jù)電流的大小、期望的紋波大小、作用時(shí)間的大小來(lái)計(jì)算。去耦電容一般都很大，對(duì)更高頻率的噪聲，基本無(wú)效。旁路電容就是針對(duì)高頻來(lái)的，也就是利用了電容的頻率阻抗特性。只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。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，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。

旁路電容

旁路電容（bypass）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。

旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。旁路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流需求。 通常鋁電解電容和鉭電 容比較適合作旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10至470μF范圍內(nèi)。

去耦電容

去耦電容（decoupling）也稱退耦電容，是把芯片的電源腳的輸出的干擾作為濾除對(duì)象。去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個(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(電容對(duì)高頻阻抗小，將之瀉至GND)。

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，會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線（Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。

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5μH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20MHz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，可按C=1/F，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μ。

案例分析：

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。

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(shū)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布局時(shí)去耦電容擺放

對(duì)于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率，去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠(yuǎn)，最外層放置容值最大的。但是，所有對(duì)該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。

下面的圖1就是一個(gè)擺放位置的例子。本例中的電容等級(jí)大致遵循10倍等級(jí)關(guān)系。

還有一點(diǎn)要注意，在放置時(shí)，最好均勻分布在芯片的四周，對(duì)每一個(gè)容值等級(jí)都要這樣。通常芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的四個(gè)邊上的。因此，電壓擾動(dòng)在芯片的四周都存在，去耦也必須對(duì)整個(gè)芯片所在區(qū)域均勻去耦。如果把上圖中的680pF電容都放在芯片的上部，由于存在去耦半徑問(wèn)題，那么就不能對(duì)芯片下部的電壓擾動(dòng)很好的去耦。

電容的安裝

在安裝電容時(shí)，要從焊盤(pán)拉出一小段引出線，然后通過(guò)過(guò)孔和電源平面連接，接地端也是同樣。這樣流經(jīng)電容的電流回路為：電源平面->過(guò)孔->引出線->焊盤(pán)->電容->焊盤(pán)->引出線->過(guò)孔->地平面，圖2直觀的顯示了電流的回流路徑。

第一種方法從焊盤(pán)引出很長(zhǎng)的引出線然后連接過(guò)孔，這會(huì)引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做，這是最糟糕的安裝方式。

第二種方法在焊盤(pán)的兩個(gè)端點(diǎn)緊鄰焊盤(pán)打孔，比第一種方法路面積小得多，寄生電感也較小，可以接受。

第三種在焊盤(pán)側(cè)面打孔，進(jìn)一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的方法。

第四種在焊盤(pán)兩側(cè)都打孔，和第三種方法相比，相當(dāng)于電容每一端都是通過(guò)過(guò)孔的并聯(lián)接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量用這種方法。

最后一種方法在焊盤(pán)上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接是可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，是否使用要看加工能力和方式。

推薦使用第三種和第四種方法。

需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：有些工程師為了節(jié)省空間，有時(shí)讓多個(gè)電容使用公共過(guò)孔，任何情況下都不要這樣做。最好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計(jì)，減少電容數(shù)量。

由于印制線越寬，電感越小，從焊盤(pán)到過(guò)孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤(pán)寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容，你也可以使用20mil寬的引出線。引出線和過(guò)孔安裝如圖4所示，注意圖中的各種尺寸。

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第三版）

作者：（美）普利斯曼 著，莫瑞 著

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