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旁路电容和去耦电容

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catking25|  楼主 | 2013-6-26 15:40 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
电路设计时常常会用到许多电容,从标准电气特性来看,电容都是一样Z=1/(2πf*C)。但是由于各种电容实际阻抗特性曲线并不相同,所以不同场合需要用到不同电容。
一般我们把PCB板上的电容分成三种,储能电容、旁路电容和去耦电容。
旁路电容和去耦电容的定义要从模拟电路说起,附带说一句,所有的数字电路都是模拟电路的特殊集合,就像正方形是长方形的特殊集合,圆形是椭圆形的特殊集合一样。可是现在的新人大多都只注意数字电路的知识,而忽视了模拟部分知识的学习。
旁路电容和去耦电容最经常出现在模拟电路的放大电路中,一般设计时会在放大电路的输出端和输入端各加一个电容,加在输入端的是为了去除前级信号中的高频杂质,称之为旁路电容;加在输出端则是为了消除负载端反馈回来的高频噪声,称之为去耦电容。
数字电路中的门电路,也可以看做是一个特殊的模拟放大器集合,但由于数字电路对信噪比的要求远低于模拟电路,因此在进行数字电路设计时,只有极少数单个信号要进行旁路、去耦处理。这种个例情况由于离题较远,不做讨论。绝大部分的信号开关噪声都不需要单独处理,只要在每个芯片的电源输入端进行统一进行旁路和去耦。
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     去耦电容
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数字电路输出信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流,在供电线和电源内阻上产生较大的压降,使供电电压产生跳变,产生阻抗噪声(亦称开关噪声),形成干扰源。因此去耦电容在电路中起到两个作用,一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的开关噪声。
1、冲击电流的产生:
i 输出级控制正负逻辑输出的管子短时间同时导通,产生瞬态尖峰电流
ii 受负载电容影响,输出逻辑由“0”转换至“1”时,由于对负载电容的充电而产生瞬态尖峰电流。瞬态尖峰电流可达几十ma,动作时间大约几ns至几十ns。
2、降低冲击电流影响的措施:
i 降低供电电源内阻和供电线阻抗。
ii 匹配去耦电容。
3、去耦电容如何取值
     去耦电容取值一般为0.01~0.1uf,频率越高,去耦电容值越小。可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。
4、常用去耦电容的种类:独石电容、钽电容
5、去耦电容的放置
     去耦电容应放置于靠近芯片电源管脚处,连线应尽可能短。
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     旁路电容
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旁路电容的主要作用是利用交流旁路来滤除电源系统中的噪声,提高供电系统的滤波功能,提高EMI性能。
1、输入噪声源
i 稳压电路交流纹波
ii 板上高频信号线耦合到电源线路
iii 器件开关噪声相互叠加
iv 外部干扰源
2、使用方法
针对这些噪声源,除了通过合理的PCB走线来规避风险以外,在合理位置增加旁路电容也是一种较好选择。由于其噪声来源复杂,旁路电容无法针对所有频率进行一一处理,一般根据板上最高频率信号的5次谐波,作为其最高频率,也可以根据数字信号的上升/下降沿时间来推算其最高频率。对于某些电源情况较差,例如电源长距离走线或者通过较长线缆供电,则需要采用多种容值,尺寸电容相并联,并且串联电阻或者磁珠组成滤波网络的方法,以消除各种噪声。
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     用法深究
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1、有一种观念认为,当我们做旁路设计时,我们对低频成分要采用大电容(微法级),而对高频成分要采用小电容(纳法或皮法级)。
这种看法听起来很好并且是有意义的,但是实际上我们对其进行验证时并未得到我们想要的结果!比如在一个LDO的电压调整电路,电路一:使用0.1uF、1000pF陶瓷电容并联。电路二:使用两个0.1uF的陶瓷电容并联。实验结果证明后者在瞬态响应上要优于前者。电容的特征参数中ESL是影响其瞬态响应的重要参数,而同样的材质、尺寸的电容,他们的ESL往往相同。所以上面这种说法应该改为低频成分我们可以采用ESL大的电容,高频成分必须采用ESL小的电容。
因此在某些对瞬态响应要求较高的场合往往还要使用较昂贵的钽电容来旁路。​

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