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去耦電容??與??旁路電容??的區(qū)別

時(shí)間：2021-09-17 15:41:23
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[導(dǎo)讀]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...

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?？墒谴藭r(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。電容如果容值很大，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針對(duì)外部噪聲，也就是給開(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 ，而低頻旁路電容一般比較大，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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)（Vcc）和地線(xiàn)（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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)，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(xiàn)->焊盤(pán)->電容->焊盤(pán)->引出線(xiàn)->過(guò)孔->地平面，圖2直觀(guān)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(xiàn)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(xiàn)越寬，電感越小，從焊盤(pán)到過(guò)孔的引出線(xiàn)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(xiàn)。引出線(xiàn)和過(guò)孔安裝如圖4所示，注意圖中的各種尺寸。




------------ END ------------





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