如何選擇退耦電容？退耦電容的應用又有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-30 10:27
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看了很多關于旁路電容和去藕電容的文章，有代表性的如下：
1.退耦電容的選擇和應用
2.十說電容
3.關于旁路電容和耦合電容
4.關于旁路電容的深度對話
對于以上的文章，我是很佩服的，我按照它們的思路把問題推演和考證了一下，參考了一些數(shù)據(jù)，自己推導一下電容模型的阻抗曲線，試圖做的就是讓問題更明顯一些。打算把這個問題分成兩個部分，第一個就是原理上去驗證，第二個就是從實際的例子去推演。
先看看此類電容的應用場合：
根據(jù)以上電路來說，由一個電源驅動多個負載，如果沒有加任何電容，每個負載的電流波動會直接影響某段導線上的電壓。
瞬間沖擊電流的產生原因
1.容性負載
來分析一下數(shù)字電路的電流波動，數(shù)字電路的負載并不是純阻性的，如果負載電容比較大，數(shù)字電路驅動部分要把負載電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在信號上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，對于數(shù)字芯片來說，新派驅動部分電流會從電源線上吸收很大的電流，由于線路存在著的電感，電阻(特別是芯片管腳上的電感，會產生反彈)，這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，下圖反應了工作情況。
2.輸出級控制正負邏輯輸出的管子短時間同時導通，產生瞬態(tài)尖峰電流
PMOS和NMOS同時導通的時候出現(xiàn)的電流尖峰
電壓塌陷噪聲
我們考慮數(shù)字電路內部結構一般由兩個Mos管組成，為了便于分析，我們假設初始時刻傳輸線上各點的電壓和電流均為零?，F(xiàn)在我們分析數(shù)字器件某時刻輸出從低電平轉變?yōu)楦唠娖?，這時候器件就需要從電源管腳吸收電流(上面一個分析的是容性負載，現(xiàn)在考慮的是阻性負載)。
從低到高(L=>H)
在時間點T1，高邊的PMOS管導通，電流從PCB板上流入芯片的VCC管腳，流經封裝電感L.vcc，通過PMOS管和負載電阻最后通過返回路徑。電流在傳輸線網(wǎng)絡上持續(xù)一個完整的返回時間，在時間點T2結束。之后整個傳輸線處于電荷充滿狀態(tài)，不需要額外流入電流來維持。
當電流瞬間涌過L.vcc時，將在芯片內部電源和PCB板上產生一個電壓被拉低的擾動。該擾動在電源中被稱之為同步開關噪聲(SSN)或DeltaI噪聲。
從高到低(L=>H)
在時間點T3，我們首先關閉PMOS管(不會導致脈沖噪聲，PMOS管一直處于導通狀態(tài)且沒有電流流過的)。同時我們打開NMOS管，這時傳輸線、地平面、L.gnd以及NMOS管形成一回路，有瞬間電流流過開關NMOS管，這樣芯片內部至PCB地節(jié)點前處產生參考電平被抬高的擾動。該擾動在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲(GroundBounce)。
實際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感值，就整個電源分布系統(tǒng)來說來說，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。
去藕電容和旁路電容
去藕電容就是起到一個小電池的作用，滿足電路中電流的變化，避免相互間的耦合干擾。關于這個的理解可以參考電源掉電，Bulk電容的計算，這是與之類似的。
旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻噪聲旁路，也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。
所以一般的旁路電容要比去藕電容小很多，根據(jù)不同的負載設計情況，去藕電容可能區(qū)別很大，當旁路電容一般變化不大。關于有一種說法“旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源”，我個人不太同意，因為高頻信號干擾可以從輸入耦合也可以從輸出耦合，去藕的掉電可以是負載激增的輸出信號也可以是輸入信號源的突變，因此我個人覺得怎么區(qū)分有點糾結。
電容模型分析
如果電容是理想的電容，選用越大的電容當然越好了，因為越大電容越大，瞬時提供電量的能力越強，由此引起的電源軌道塌陷的值越低，電壓值越穩(wěn)定。但是，實際的電容并不是理想器件，因為材料、封裝等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。
我們這里使用的電容一般是指多層陶瓷電容器(MLCC)，其最大的特點還是由于使用多層介質疊加的結構，高頻時電感非常低，具有非常低的等效串聯(lián)電阻，因此可以使用在高頻和甚高頻電路濾波無對手。
等效串聯(lián)電阻ESR：由電容器的引腳電阻與電容器兩個極板的等效電阻相串聯(lián)構成的。當有大的交流電流通過電容器，ESR使電容器消耗能量(從而產生損耗)，由此電容中常用用損耗因子表示該參數(shù)。
等效串聯(lián)電感ESL：由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構成的。
等效并聯(lián)電阻EPR：電容器泄漏電阻，在交流耦合應用、存儲應用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當電容器用于高阻抗電路時，Rp是一項重要參數(shù)，理想
電容器中的電荷應該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的EPR使電荷以RC時間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。
1.退耦電容的選擇和應用
2.十說電容
3.關于旁路電容和耦合電容
4.關于旁路電容的深度對話
對于以上的文章，我是很佩服的，我按照它們的思路把問題推演和考證了一下，參考了一些數(shù)據(jù)，自己推導一下電容模型的阻抗曲線，試圖做的就是讓問題更明顯一些。打算把這個問題分成兩個部分，第一個就是原理上去驗證，第二個就是從實際的例子去推演。
先看看此類電容的應用場合：
根據(jù)以上電路來說，由一個電源驅動多個負載，如果沒有加任何電容，每個負載的電流波動會直接影響某段導線上的電壓。
瞬間沖擊電流的產生原因
1.容性負載
來分析一下數(shù)字電路的電流波動，數(shù)字電路的負載并不是純阻性的，如果負載電容比較大，數(shù)字電路驅動部分要把負載電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在信號上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，對于數(shù)字芯片來說，新派驅動部分電流會從電源線上吸收很大的電流，由于線路存在著的電感，電阻(特別是芯片管腳上的電感，會產生反彈)，這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，下圖反應了工作情況。
2.輸出級控制正負邏輯輸出的管子短時間同時導通，產生瞬態(tài)尖峰電流
PMOS和NMOS同時導通的時候出現(xiàn)的電流尖峰
電壓塌陷噪聲
我們考慮數(shù)字電路內部結構一般由兩個Mos管組成，為了便于分析，我們假設初始時刻傳輸線上各點的電壓和電流均為零?，F(xiàn)在我們分析數(shù)字器件某時刻輸出從低電平轉變?yōu)楦唠娖?，這時候器件就需要從電源管腳吸收電流(上面一個分析的是容性負載，現(xiàn)在考慮的是阻性負載)。
從低到高(L=>H)
在時間點T1，高邊的PMOS管導通，電流從PCB板上流入芯片的VCC管腳，流經封裝電感L.vcc，通過PMOS管和負載電阻最后通過返回路徑。電流在傳輸線網(wǎng)絡上持續(xù)一個完整的返回時間，在時間點T2結束。之后整個傳輸線處于電荷充滿狀態(tài)，不需要額外流入電流來維持。
當電流瞬間涌過L.vcc時，將在芯片內部電源和PCB板上產生一個電壓被拉低的擾動。該擾動在電源中被稱之為同步開關噪聲(SSN)或DeltaI噪聲。
從高到低(L=>H)
在時間點T3，我們首先關閉PMOS管(不會導致脈沖噪聲，PMOS管一直處于導通狀態(tài)且沒有電流流過的)。同時我們打開NMOS管，這時傳輸線、地平面、L.gnd以及NMOS管形成一回路，有瞬間電流流過開關NMOS管，這樣芯片內部至PCB地節(jié)點前處產生參考電平被抬高的擾動。該擾動在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲(GroundBounce)。
實際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感值，就整個電源分布系統(tǒng)來說來說，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。
去藕電容和旁路電容
去藕電容就是起到一個小電池的作用，滿足電路中電流的變化，避免相互間的耦合干擾。關于這個的理解可以參考電源掉電，Bulk電容的計算，這是與之類似的。
旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻噪聲旁路，也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。
所以一般的旁路電容要比去藕電容小很多，根據(jù)不同的負載設計情況，去藕電容可能區(qū)別很大，當旁路電容一般變化不大。關于有一種說法“旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源”，我個人不太同意，因為高頻信號干擾可以從輸入耦合也可以從輸出耦合，去藕的掉電可以是負載激增的輸出信號也可以是輸入信號源的突變，因此我個人覺得怎么區(qū)分有點糾結。
電容模型分析
如果電容是理想的電容，選用越大的電容當然越好了，因為越大電容越大，瞬時提供電量的能力越強，由此引起的電源軌道塌陷的值越低，電壓值越穩(wěn)定。但是，實際的電容并不是理想器件，因為材料、封裝等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。
我們這里使用的電容一般是指多層陶瓷電容器(MLCC)，其最大的特點還是由于使用多層介質疊加的結構，高頻時電感非常低，具有非常低的等效串聯(lián)電阻，因此可以使用在高頻和甚高頻電路濾波無對手。
等效串聯(lián)電阻ESR：由電容器的引腳電阻與電容器兩個極板的等效電阻相串聯(lián)構成的。當有大的交流電流通過電容器，ESR使電容器消耗能量(從而產生損耗)，由此電容中常用用損耗因子表示該參數(shù)。
等效串聯(lián)電感ESL：由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構成的。
等效并聯(lián)電阻EPR：電容器泄漏電阻，在交流耦合應用、存儲應用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當電容器用于高阻抗電路時，Rp是一項重要參數(shù)，理想
電容器中的電荷應該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的EPR使電荷以RC時間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。
