旁路電容的應(yīng)用（兩位技術(shù)高手的對(duì)話）
[導(dǎo)讀]通過(guò)一次關(guān)于基本知識(shí)的對(duì)話，讓我們深入考察那沒(méi)有什么魅力但是極其關(guān)鍵的旁路電容和去耦電容。?引言旁路電容是關(guān)注度低、沒(méi)有什么魅力的元器件，一般來(lái)說(shuō)，在許多專題特寫中不把它作為主題，但是，它對(duì)于成功、可靠和無(wú)差錯(cuò)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。來(lái)自Intersil公司的作者DavidRitter和T...
引言
旁路電容是關(guān)注度低、沒(méi)有什么魅力的元器件，一般來(lái)說(shuō)，在許多專題特寫中不把它作為主題，但是，它對(duì)于成功、可靠和無(wú)差錯(cuò)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。來(lái)自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz參加了關(guān)于該主題的進(jìn)一步對(duì)話。本文是對(duì)話的第一部分。Dave和Tamara信仰辯論的價(jià)值、教育的價(jià)值以及謙虛地深入討論核心問(wèn)題的價(jià)值；簡(jiǎn)而言之，為了獲取知識(shí)而展開對(duì)一個(gè)問(wèn)題的討論，
Tamara: 我贊成，那有什么錯(cuò)嗎？
David: 那聽起來(lái)很好并且是有意義的，但是，問(wèn)題在于當(dāng)我在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證那個(gè)規(guī)則時(shí)并未得到我們想要的結(jié)果！我要向您發(fā)出挑戰(zhàn)，Tamara博士。
Tamara: 好??！我無(wú)所畏懼。
David: 讓我們看看，你有一個(gè)電壓調(diào)整器并且它需要電源。電源線具有一些串聯(lián)阻抗(通常是電感以及電阻)，這樣對(duì)于短路來(lái)說(shuō)，它在瞬間提供的電流就不會(huì)出現(xiàn)大變化。它需要有一個(gè)局部電容供電，如圖1所示。
Tamara: 我到目前均贊成你的觀點(diǎn)。那就是旁路的定義。Dave，接著說(shuō)吧。
David: 例如，有些人可能用0.1 μF電容進(jìn)行旁路。他們也可能用一個(gè)1000pF的電容緊挨著它以處理更高的頻率。如果我們已經(jīng)采用了一個(gè)0.1 μF的電容，那么，緊挨著它加一個(gè)1000pF電容就沒(méi)有意義。它會(huì)增加1%的容值，誰(shuí)會(huì)在意？
Tamara: 然而，除了電容值之外，有更多要研究的內(nèi)容。這兩種數(shù)值的電容均不理想。
David: 我們必須考察0.1 μF的實(shí)際電路；它存在有效串聯(lián)電阻(ESR)以及有效串聯(lián)電感(ESL)。
Tamara: 有時(shí)候，你還要把介質(zhì)損耗一項(xiàng)當(dāng)成一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)考慮，如圖2所示。
David: 現(xiàn)在，當(dāng)我們遇到具有瞬態(tài)特性的這一損耗時(shí)，我們假設(shè)0.1 μF電容的ESL遠(yuǎn)遠(yuǎn)大約1000pF的電容。我們需要某一器件在短期內(nèi)供電，因ESL的存在而讓0.1 μF的電容做不到這一點(diǎn)。假設(shè)就在于1000pF的電容具有更低的ESL，因此，能夠提供更好的電流。
Tamara: ESL與你獲得以及封裝的電容的類型有關(guān)。其數(shù)值可能完全獨(dú)立于電容本身的尺寸和數(shù)值，如圖3所示。
David: (顯示出對(duì)年輕同事所具有的知識(shí)的驚訝)
Tamara: 我曾經(jīng)看到過(guò)一些人把100 nF、10 nF和1 nF的電容分級(jí)并聯(lián)起來(lái)使用，它們可能均采用相同的封裝，例如0402，因?yàn)檫@些電容通常就是采用這種封裝形式。然而，每一種0402封裝均具有相同的ESL，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤碾姼幸约跋嗤母哳l響應(yīng)，因此，這么安裝電容于事無(wú)補(bǔ)。
Tamara: 那是完全有可能。我猜測(cè)，你所處的頻率范圍就是0603 0.1 μF電容被最優(yōu)化的頻率范圍。
Tamara: 在你的情況下，要調(diào)整電容的數(shù)值以及封裝，以改善對(duì)你沒(méi)有興趣的那個(gè)頻率范圍的旁路網(wǎng)絡(luò)。圖4假設(shè)我們談?wù)摰氖窍嗤愋偷碾娙?陶瓷電容)。其它類型的電容—如鉭電容—具有更高的ESR，因此，整個(gè)曲線突起。另一方面，有時(shí)可能全部要采用鉭電容。
David: 我們現(xiàn)在講講歷史。過(guò)去，人們采用他們手上能用的一切元器件。那時(shí)，你無(wú)法獲得封裝小的100 μF電容，你不得不通過(guò)縮短旁路電容器上的引線來(lái)改善旁路網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)今的大電容的尺寸正逐漸縮小類似于較小電容所具有的尺寸。當(dāng)你開始認(rèn)真考慮選擇一只0.1 μF電容時(shí)，你肯定選擇0603的封裝，并且，最終會(huì)選擇0402封裝的電容(因?yàn)槲覜](méi)有看過(guò)0402封裝的電容，我傾向于不采用那些電容)。
Tamara: 按照分級(jí)封裝的階梯電容(stepped capacitor)的確切含義來(lái)自于賽靈思公司的討論。他們的FPGA被用于各種各樣的應(yīng)用之中，并且，他們?cè)O(shè)法測(cè)試了所有的條件。因此，他們?cè)诟哌_(dá)5Gsps的寬頻帶內(nèi)需要一種低阻抗電容對(duì)電源旁路。另一方面，你需要一種較低帶寬的解決方案。
David: 我的評(píng)論全部來(lái)自較之于比賽靈思的速度更低的電源應(yīng)用。你的辯論非常聰明，因?yàn)槟阒傅氖欠庋b尺寸，而其他人沒(méi)有那么深入的思考。他們通常所，高頻需要小電容，而低頻需要大電容。
Tamara: 啊，真是的，我要臉紅了。
David: 我的旁路事業(yè)一直是非常令人厭煩的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)時(shí)間內(nèi)，規(guī)則就是用0.1 μF電容旁路每一個(gè)芯片，那就管用了。
Tamara: 那不僅僅與封裝有關(guān)，而且還與布局有關(guān)。
David: 絕對(duì)正確！我循著電路板上的電流路線，發(fā)現(xiàn)電路板上存在電感。在任何電流路徑上的電感與該路徑的閉環(huán)面積呈正比。因此，當(dāng)你圍繞一個(gè)區(qū)域?qū)υ骷M(jìn)行布局時(shí)，你需要把元器件緊湊地布局。那就是你為什么把元器件保持緊湊布局的原因—保持電感為低。然后，選擇具有良好ESL和ESR的電容。我希望對(duì)于它有更多的設(shè)計(jì)藝術(shù)，但是，它的確是實(shí)用證明正確的少數(shù)的簡(jiǎn)單規(guī)則之一。
Tamara: 當(dāng)然，你可以購(gòu)買具有較低ESL和ESR的電容，但是，他們通常比標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷電容更為昂貴。
David: 在大多數(shù)情形下，與每一塊芯片盡可能接近的0.1 μF旁路電容仍然非常管用。繼續(xù)關(guān)于排版的討論下面是，第三部分的對(duì)話，請(qǐng)“聆聽”并學(xué)習(xí)。
(Tamara博士拿著一袋發(fā)著沙沙響聲的書進(jìn)入她的辦公室，當(dāng)Dave從旁邊走過(guò)時(shí)她把那袋書扔在了桌子上。)
Dave: 嗨，Tamara:博士，你往那里扔什么？
Tamara: 那是我們的讀者郵件。
Dave: 我們收到郵件？你的意思是喜歡“來(lái)自新澤西Fort Lee的Richard Fader寫道：這就是我聽說(shuō)的關(guān)于電容器的一切抱怨嗎？”之類的郵件？
Tamara: 是的，就是那樣的信件。
Dave: 關(guān)于電容器以及排版嗎？
Tamara: 當(dāng)然！這是一封來(lái)自Kyle(所有讀者的姓名被改變，以保護(hù)他們隱私)。在高幅度射頻場(chǎng)中，他慣常于把電容器級(jí)聯(lián)起來(lái)以旁路他的電路。
Dave: 正如我們所說(shuō)的，有時(shí)候你需要這么做，但是，許多時(shí)間你不需要這么做。
Tamara: 他也問(wèn)到了耦合電容?？磥?lái)他們?cè)隈詈想娙萆嫌龅降膯?wèn)題不如在旁路電容上遇到的問(wèn)題大。
Dave: 是的，我已經(jīng)注意到了那個(gè)問(wèn)題，但是，一些人擔(dān)心采用大的耦合電容，因?yàn)樗Ｎ艺J(rèn)為，他們的思路不正確。
Tamara: 在今后的討論中我們將著手解決那個(gè)問(wèn)題。這里是Carl的評(píng)價(jià)。他對(duì)我們最近關(guān)于接地平面上的電壓降問(wèn)題提出的解決方案感到不確定。他認(rèn)為，在它(感應(yīng)作用)周圍或者需要磁通，或者它僅僅是一個(gè)通常很小的IR降。
Dave: 是的，我們通常在視頻系統(tǒng)中談到的60dB的串?dāng)_非常小，意味著有幾個(gè)毫伏的有害信號(hào)。上次在例子中我們證明了，為了便于描述，我們把電路做了相當(dāng)多的簡(jiǎn)化。實(shí)際電路在每一個(gè)通道具有完整的直流恢復(fù)(具有電子機(jī)械繼電器)，并且它是通孔元件。從圖5所示可見，當(dāng)通孔元件或過(guò)孔破壞了一個(gè)接地層時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。
Tamara: 你的意思是你不用表面貼裝元件，因此，接地層上充滿了帶引腳的元件的通孔？
Dave: 是的，來(lái)自輸入的大多數(shù)回流通過(guò)圍繞這個(gè)電路的窄帶之中。與實(shí)體接地層相比，電阻要更大。
Tamara: 因此，邊緣電路被更多地?fù)頂D在一起。
Dave: 是的。串?dāng)_比你想像的要多。表面安裝的元件對(duì)解決這個(gè)問(wèn)題有很大幫助，因?yàn)樗鼈兙哂懈俚耐?，但是，把接地層分開是明智且容易的事情，并且不論你是否擁有大量的過(guò)孔它均能消除這個(gè)問(wèn)題。如圖6所示。
Tamara: 免費(fèi)、容易且有效—聽起來(lái)就像放之四海皆準(zhǔn)的慣例。
Dave: 那真是我一直思考的事情。你在哪個(gè)領(lǐng)域取得了什么進(jìn)展？
Tamara: 我已經(jīng)跟兩家電容器公司X2Y以及KEMENT的代表進(jìn)行了接觸。
Dave: 他們?cè)趺聪氲模?br /> Tamara: 我們?cè)谂月冯娙萆匣ㄙM(fèi)了太多的精力，你不知道你怎么想的嗎？
Dave: 啊，是的，我的意思是它們僅僅是電容器。
Tamara: 他們說(shuō)，我們的研究不夠。我們僅僅考慮兩維。他們甚至要考慮電容器內(nèi)部的側(cè)景(side view)。
Dave: 他們重視我們建議的那樣的電流路徑嗎？
Tamara: 是的，通過(guò)減少他們的電容器的引腳的垂直封裝面積，他們把等效串聯(lián)電感(ESL)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值從大約2nH降低為原來(lái)的1/5。
Dave: 因此，即使專業(yè)公司也重視該電流(如釋重負(fù)地嘆息)。我們站在可巨人的肩膀上(停頓，心不在焉地凝視遠(yuǎn)方…)
Tamara: Dave. . . . DAVE. .
Dave: 哦，對(duì)不起。那么，現(xiàn)在我們?cè)谀睦锔欕娏髀窂?，Tamar博士。
Tamara: 我認(rèn)為，我們需要做稍微深入的討論，并通過(guò)一個(gè)例子分步討論。我認(rèn)為，我們的讀者了解電流路徑對(duì)于放置他們的旁路電容是至關(guān)重要的，但是，可能需要一個(gè)實(shí)例。讓我們看看在一個(gè)簡(jiǎn)單的電路中，電流是在哪里流過(guò)的。讓我們看看驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載的運(yùn)放的輸出。下面是一塊簡(jiǎn)單的電路和電路板。
Dave: 好，讓我們把討論做的有趣一些。對(duì)于輸入偏置級(jí)的電壓參考來(lái)說(shuō)，怎么樣？
Tamara: 圖7所示為具有增益為2的單電源運(yùn)放配置。
Dave: 電壓參考偏置均以電源電壓的一半來(lái)輸入以獲得最佳的輸入范圍。
Tamara: 這次我們?yōu)榕虐孢x擇采用雙層電路板(上次那塊板子采用四層板)。第二層幾乎是完整的接地層，在輸入和輸出線上是兩條跳線，如圖8所示。
Dave: 讓我們跟蹤電流的路徑(圖9a和圖9b)。
Tamara: 工程師們有時(shí)會(huì)混淆交流以及直流路徑，因此，讓我們把交流高頻路徑標(biāo)記為藍(lán)色，而把直流路徑標(biāo)記為綠色。
Dave: 我要深入探討一下。我用實(shí)線把驅(qū)動(dòng)電路標(biāo)出，因?yàn)樗鼈兊碾娏鞔蠖鄶?shù)在頂層流動(dòng)并且回路用虛線表示，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮拥貙由系牧鲃?dòng)占突出地位。
Tamara: 你真厲害！
Dave: 你可能認(rèn)為，參考電源僅僅是直流電源，但是，它也是放大器中交流電路的一部分。要核查在參考電路中的高頻電流路徑。
Tamara: 我特別想知道，無(wú)源元件的堆疊如何讓你干凈地引入輸入線并在U2、R4、C3和C5之間共享一小塊接地焊盤。
Dave: 那并沒(méi)有阻止我構(gòu)建一條從R3至那個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)的緊湊(布局很好)的反饋路徑。
Tamara: 高頻路徑是短且緊湊的，其環(huán)路通過(guò)輸出旁路電容器C5以及參考旁路電容器C3。我猜測(cè)那就是為什么你把C3放在放大器U2附近，而不是放在上面的參考芯片U1旁邊。在頂層上它們甚至共享額外的接地連接。
Dave: 沒(méi)錯(cuò)。我們想要高頻電流包含小的閉合面積，這意味著電感小。為了形成對(duì)照，請(qǐng)參見直流電流的回路。
Tamara: 它們?cè)谡麎K板子上展開并且甚至似乎離開電路板的頂層。
Dave: 是！直流電流必須來(lái)自電源，那意味著它進(jìn)入并離開連接器或找到它流去本地電源調(diào)整器的途徑。在任一情形下，路徑的面積均大。
Tamara: 那就是為什么我們?cè)诘谝粋€(gè)地方采用旁路電容器：把高頻電流保持在本地，并分流會(huì)引起大量不希望出現(xiàn)的電壓降的感性以及阻性路徑。
Dave: 現(xiàn)在，請(qǐng)看以下放大器的輸出電流(圖10a和圖10b)。
Tamara: 再看看在電路板頂層上展開的直流電流(在連接電源的地方)，但是，在緊湊的環(huán)路中交流電流非常接近輸出放大器。
Dave: 交流回路除非在接地層上展開，否則不會(huì)依靠自己或跨越它自己構(gòu)成回路。那就是最小化串?dāng)_的良好實(shí)踐。
Tamara: 這一次在你的接地層上沒(méi)有出現(xiàn)你的著名的切割，為什么沒(méi)有？
Dave: 那個(gè)信號(hào)的確沒(méi)有機(jī)會(huì)相互作用。信號(hào)流直接從左邊流向右邊—輸入至輸出。我們沒(méi)有畫出輸入電流路徑，這留給讀者做練習(xí)。
Tamara: 然而，如圖2所示的接地層切割在把信號(hào)線圍起來(lái)并防止邊緣電流相互作用上最為有用。
Dave: 絕對(duì)正確。可是，不要忘記這整個(gè)對(duì)話是從旁路電容器開始討論的。
Tamara: 是的，的確如此。我們能夠選擇正確的電容器的尺寸、類型和封裝，然而，如果我們不對(duì)排版進(jìn)行最優(yōu)化的話，那也不會(huì)有效。
Dave: 那可能是我們能夠說(shuō)的最重要的事情：關(guān)于放置旁路電容器的問(wèn)題幾乎總是可以通過(guò)跟蹤電流的路徑并最小化電流的環(huán)路面積來(lái)回答。除此之外，沒(méi)有更多的其它問(wèn)題。來(lái)源：阿莫論壇，作者：ddds直接來(lái)源：芯片之家（ID：chiphome-dy）
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