關(guān)于濾波電容、去耦電容、旁路電容的作用及其原理

關(guān)于濾波電容、去耦電容、旁路電容作用及其原理

從電路來說，總是存在驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載。如果負載電容比較大，驅(qū)動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產(chǎn)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。這就是耦合。

去藕電容就是起到一個電池的作用，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。

旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(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，而去耦合電容一般比較大，是10u或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動電流的變化大小來確定。

去耦和旁路都可以看作濾波。去耦電容相當于電池，避免由于電流的突變而使電壓下降，相當于濾紋波。具體容值可以根據(jù)電流的大小、期望的紋波大小、作用時間的大小來計算。去耦電容一般都很大，對更高頻率的噪聲，基本無效。旁路電容就是針對高頻來的，也就是利用了電容的頻率阻抗特性。電容一般都可以看成一個RLC串聯(lián)模型。在某個頻率，會發(fā)生諧振，此時電容的阻抗就等于其ESR。如果看電容的頻率阻抗曲線圖，就會發(fā)現(xiàn)一般都是一個V形的曲線。具體曲線與電容的介質(zhì)有關(guān)，所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質(zhì)，一個比較保險的方法就是多并幾個電容。

去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用：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。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1μF。這個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，對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對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的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(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格，可按C=1/F，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。

退耦原理：（去耦即退耦）

高手和前輩們總是告訴我們這樣的經(jīng)驗法則：“在電路板的電源接入端放置一個1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲?！痹跁昀锬軌虻玫降拇蠖鄶?shù)的高速PCB設(shè)計、高速數(shù)字電路設(shè)計的經(jīng)典教程中也不厭其煩地引用該首選法則（老外俗稱Rule of Thumb）。但是為什么要這樣使用呢？

首先就我的理解介紹兩個常用的簡單概念

什么是旁路？旁路（Bypass），是指給信號中的某些有害部分提供一條低阻抗的通路。電源中高頻干擾是典型的無用成分，需要將其在進入目標芯片之前提前干掉，一般我們采用電容到達該目的。用于該目的的電容就是所謂的旁路電容（Bypass Capacitor）,它利用了電容的頻率阻抗特性（理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低，這個地球人都知道），可以看出旁路電容主要針對高頻干擾（高是相對的，一般認為20MHz以上為高頻干擾，20MHz以下為低頻紋波）。

什么是退耦？退耦（Decouple）， 最早用于多級電路中，為保證前后級間傳遞信號而不互相影響各級靜態(tài)工作點的而采取的措施。在電源中退耦表示，當芯片內(nèi)部進行開關(guān)動作或輸出發(fā)生變化時，需 要瞬時從電源在線抽取較大電流，該瞬時的大電流可能導(dǎo)致電源在線電壓的降低，從而引起對自身和其他器件的干擾。為了減少這種干擾，需要在芯片附近設(shè)置一個 儲電的“小水池”以提供這種瞬時的大電流能力。

在電源電路中，旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對器件本身的干擾（自我保護）；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對電源的干擾（家丑不外揚）。有人說退耦是針對低頻、旁路是針對高頻，我認為這樣說是不準確的，高速芯片內(nèi)部開關(guān)操作可能高達上GHz，由此引起對電源線的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍，為此目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。本文以下討論中并不刻意區(qū)分退耦和旁路，認為都是為了濾除噪聲，而不管該噪聲的來源。

簡單說明了旁路和退耦之后，我們來看看芯片工作時是怎樣在電源線上產(chǎn)生干擾的。我們建立一個簡單的IO Buffer模型，輸出采用圖騰柱IO驅(qū)動電路，由兩個互補MOS管組成的輸出級驅(qū)動一個帶有串聯(lián)源端匹配電阻的傳輸線（傳輸線阻抗為Z0）。

設(shè)電源引腳和地引腳的封裝電感和引線電感之和分別為：Lv和Lg。兩個互補的MOS管（接地的NMOS和接電源的PMOS）簡單作為開關(guān)使用。假設(shè)初始時刻傳輸在線各點的電壓和電流均為零，在某一時刻器件將驅(qū)動傳輸線為高電平，這時候器件就需要從電源管腳吸收電流。在時間T1，使PMOS管導(dǎo)通，電流從PCB板上的VCC流入，流經(jīng)封裝電感Lv，跨越PMOS管，串聯(lián)終端電阻，然后流入傳輸線，輸出電流幅度為VCC/（2×Z0）。電流在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個完整的返回（Round-Trip）時間，在時間T2結(jié)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。當電流瞬間通過封裝電感Lv時，將在芯片內(nèi)部的電源提供點產(chǎn)生電壓被拉低的擾動。該擾動在電源中被稱之為同步開關(guān)噪聲（SSN，Simultaneous Switching Noise；SSO，Simultaneous Switching Output Noise）或Delta I噪聲。

在時間T3，關(guān)閉PMOS管，這一動作不會導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生，因為在此之前PMOS管一直處于打開狀態(tài)且沒有電流流過的。同時打開NMOS管，這時傳輸線、地平面、封裝電感Lg以及NMOS管形成一回路，有瞬間電流流過開關(guān)B，這樣在芯片內(nèi)部的地結(jié)點處產(chǎn)生參考電平點被抬高的擾動。該擾動在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲（Ground Bounce，我個人讀著地tan）。

實際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互聯(lián)機都存在一定電感值，因此上面就IC級分析的SSN和地彈噪聲在進行Board Level分析時，以同樣的方式存在，而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個電源分布系統(tǒng)來說（Power Distribute System）來說，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。因為芯片輸出的開關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作，需要瞬時的從電源抽取較大的電流，而電源特性來說不能快速響應(yīng)該電流變化，高速開關(guān)電源開關(guān)頻率也僅有MHz量級。為了保證芯片附近電源在線的電壓不至于因為SSN和地彈噪聲降低超過器件手冊規(guī)定的容限，這就需要在芯片附近為高速電流需求提供一個儲能電容，這就是我們所要的退耦電容。

所以電容重要分布參數(shù)的有三個：等效串聯(lián)電阻ESR 等效串聯(lián)電感ESL 、等效并聯(lián)電阻EPR Rp 。其中最重要的是ESR、 ESL，實際在分析電容模型的時候一般只用RLC簡化模型，即分析電容的C、ESR、ESL。因為寄生參數(shù)的影響，尤其是ESL的影響，實際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線，低頻時隨頻率的升高，電容阻抗降低；當?shù)阶畹忘c時，電容阻抗等于ESR；之后隨頻率的升高，阻抗增加，表現(xiàn)出電感特性（歸功于ESL）。因此對電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值，還需要綜合考慮其他因素。

所有考慮的出發(fā)點都是為了降低電源地之間的感抗（滿足電源最大容抗的條件下），在有瞬時大電流流過電源系統(tǒng)時，不至于產(chǎn)生大的噪聲干擾芯片的電源地引腳。

電容的頻率特性

當頻率很高時，電容不再被當做集中參數(shù)看待，寄生參數(shù)的影響不可忽略。寄生參數(shù)包括Rs，等效串聯(lián)電阻（ESR）和Ls等效串聯(lián)電感（ESL）。電容器實際等效電路如圖1所示，其中C為靜電容，1Rp為泄漏電阻，也稱為絕緣電阻，值越大（通常在GΩ級以上），漏電越小，性能也就越可靠。因為Pp通常很大（GΩ級以上），所以在實際應(yīng)用中可以忽略，Cda和Rda分別為介質(zhì)吸收電容和介質(zhì)吸收電阻。介質(zhì)吸收是一種有滯后性質(zhì)的內(nèi)部電荷分布，它使快速放電后處于開路狀態(tài)的電容器恢復(fù)一部分電荷。

ESR和ESL對電容的高頻特性影響最大，所以常用如圖1（b）所示的串聯(lián)RLC簡化模型，可以計算出諧振頻率和等效阻抗：

電容器串聯(lián)RLC模型的頻域阻抗圖如圖2所示，電容器在諧振頻率以下表現(xiàn)為容性；在諧振頻率以上時表現(xiàn)為感性，此時的電容器的去耦作用逐漸減弱。同時還發(fā)現(xiàn)，電容器的等效阻抗隨著頻率的增大先減小后增大，等效阻抗最小值為發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率處的ESR。

由諧振頻率式（4－8）可得出，容值大小和ESL值的變化都會影響電容器的諧振頻率，如圖3所示。由于電容在諧振點的阻抗最低，所以設(shè)計時盡量選用fR和實際工作頻率相近的電容。在工作頻率變化范圍很大的環(huán)境中，可以同時考慮一些fR較小的大電容與fR較大的小電容混合使用。

審核編輯：湯梓紅