極性電容和非極性電容并聯(lián)的作用

電路原理圖畫成一個(gè)極性電容和非極性電容并聯(lián)的形式，更加多地是為了在畫板的過程中在PCB的絲印層添加相關(guān)的引腳極性信息，避免接錯(cuò)極性炸電容。

當(dāng)然了，EE的老司機(jī)們，一般都能直接看出這是電源“去耦”電容的經(jīng)典組合。理想的電源應(yīng)該提供穩(wěn)定的直流電壓，故去耦（decouple）的對(duì)象是電源網(wǎng)絡(luò)中的噪聲。在電源網(wǎng)絡(luò)上并電容到地是解決這個(gè)問題最簡單的辦法。

至于為什么是極性//非極性這種奇怪的形式，而不選擇極性//極性，亦或是直接選一個(gè)等值的電容，這里面就有點(diǎn)意思了。

一般說來，實(shí)際電路上大容量的極性電容會(huì)是電解電容，而小容量的無極性電容會(huì)是瓷片電容之類的。對(duì)于一個(gè)理想的電容，阻頻曲線大概是這樣的

這個(gè)也是理想的電源網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有的阻抗特性樣子。

而實(shí)際的電容，會(huì)有引腳和自身材料特性帶來的等效串聯(lián)電感（ESL），所以曲線會(huì)變成這幅鬼樣

電解電容值很大，但同時(shí)ESL也非常大，所以用它來做低頻上的去耦工作。但是在高頻段，因?yàn)楹艽蟮腅SL，這時(shí)候電解電容的“電感特性”占了主導(dǎo)地位，頻率越高去耦效果越弱。有時(shí)電路中也會(huì)利用大容值電解電容來撫平極低頻段的電壓波動(dòng)，這時(shí)更加多地是在利用電容的儲(chǔ)能特性（你也可以多掏點(diǎn)錢用線性穩(wěn)壓器來解決這個(gè)問題），而不是狹義上的“去耦”或者“濾波”了。

瓷片電容來說雖然容值較小，在低頻段的去耦效果不明顯，但是相對(duì)較小的ESL使得它在高頻段特定范圍內(nèi)的去耦效果非常不錯(cuò)。

因此，最好的辦法就是把這兩個(gè)電容并聯(lián)來用。一并起來，阻抗曲線大概就會(huì)變成這個(gè)樣子

這個(gè)理想電容模型的阻抗曲線因?yàn)楹雎粤薊SR，顯得非常奇怪，既有尖峰也有為負(fù)的阻抗。如果考慮阻抗的相頻特性，在阻抗接近0的時(shí)候這個(gè)電路組合甚至?xí)l(fā)生諧振。所以考察這個(gè)問題必須要電容的ESR加進(jìn)來，如下列形式的電

然后阻抗特性就會(huì)變成這樣了

像上圖展示的一樣，這個(gè)阻抗特性曲線雖然也有明顯尖銳的峰值和谷值，但是從整體上看，明顯比上圖平滑了很多。峰值部分一般稱為“抗諧振”點(diǎn)（anti-resonance）。既然求電容組合要發(fā)揮去耦的作用，那設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一就是這個(gè)尖峰必須遠(yuǎn)離電路中的噪聲頻率分布集中點(diǎn)。而逆向利用這個(gè)尖峰的思路就是把這個(gè)峰值盡量靠近臨近負(fù)載電流譜頻率集中點(diǎn)上，盡量減少電路拓?fù)渖系南噜徹?fù)載變化對(duì)本地電壓的影響。

題主的原理圖中和去耦網(wǎng)絡(luò)相連的是REF腳，一般都是指參考信號(hào)輸入。沒有更多信息，那我就假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景來舉例說明上圖中谷值的意義。假設(shè)這是一個(gè)ADC的REF引腳，ADC每一個(gè)conversion周期都會(huì)從REF腳吸取一次或多次電流，具體取決于ADC的電路結(jié)構(gòu)。在這種情況下，REF的電流譜是有規(guī)律可循的。我們希望REF腳在工作過程中電壓的波動(dòng)盡可能少，那就可以將去耦網(wǎng)絡(luò)的谷值盡量靠近這個(gè)電流譜中的頻率集中點(diǎn)。因?yàn)楣戎祄in比ESR值R‘ 要小，在這個(gè)頻率上電源網(wǎng)絡(luò)對(duì)電流信號(hào)的阻抗是最低的。這是設(shè)計(jì)要點(diǎn)之二。

這里還有一個(gè)不得不提的問題，就是由去耦網(wǎng)絡(luò)帶來潛在的諧振危險(xiǎn)。雖然去耦網(wǎng)絡(luò)的阻抗在考慮了ESR之后谷值已經(jīng)不為0了，但是在很多電路中，這個(gè)谷值的數(shù)值還是相當(dāng)?shù)偷?。再加上去耦網(wǎng)絡(luò)的另一頭就是電源，盡量減少諧振的發(fā)生幾率幾乎成了Design Rule的標(biāo)配。至于如何消除諧振，又是另一個(gè)復(fù)雜的話題了。

總結(jié)一下，一大一小不同種類的電容并聯(lián)，可以用“高低搭配”的方法通俗解釋。但是嚴(yán)謹(jǐn)說來，尤其是對(duì)于簡單的數(shù)字電路，工作過程中電流譜有明顯規(guī)律的，相比使用單一電容的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電容并聯(lián)的組合在成本最優(yōu)的前提下提供了大量的優(yōu)化空間（一大一小的ESR和ESL組合）。

上面的都是在理論上泛泛而談，實(shí)際上這個(gè)優(yōu)化做起來是非常困難的。主要是電路中影響ESL的參數(shù)實(shí)在太多了，便宜的電解電容“體質(zhì)”嚴(yán)重不一致使得ESL的失配分析做起來很麻煩。一句話總結(jié)就是很難將理論計(jì)算結(jié)果與做出來的電路對(duì)應(yīng)起來。

對(duì)于沒有明顯頻率分布的電路電流譜，又怎么辦呢？最簡單的辦法就是多并不同參數(shù)不同規(guī)格材料的電容唄，讓這個(gè)特性曲線不斷逼近設(shè)計(jì)需求的“平坦?fàn)顟B(tài)”。

電源完整性（Power Integrity）就是系統(tǒng)研究這類問題的。

作者：瘋狂的蔬菜