為什么去耦電容器很重要

系統(tǒng)噪聲是當(dāng)今所有數(shù)字設(shè)備普遍面臨的問題。不斷追求更快的接口和更低的功耗導(dǎo)致設(shè)備越來越容易受到來自電源和信號(hào)線的干擾。

幸運(yùn)的是，通過使用去耦技術(shù)，可以將局部電路與系統(tǒng)中其他電路隔離開來，從而減輕噪聲干擾。

什么是去耦電容器？

去耦電容器有助于隔離或去耦局部電路，使其不受共享電源、地線和其他導(dǎo)線上的噪聲和電源異常的影響。它們通常被應(yīng)用于電源，以提供瞬態(tài)電流的局部源，并將局部電路與設(shè)計(jì)的其他區(qū)域中的電源噪聲隔離開來。

這種局部接入是必要的，因?yàn)樗须娫捶峙湎到y(tǒng)都具有實(shí)際的阻抗和電感，阻止了對(duì)負(fù)載的真正瞬時(shí)電流供應(yīng)。當(dāng)發(fā)生大型開關(guān)負(fù)載時(shí)，電流吸收可以導(dǎo)致電源電壓下降和振鈴，這可能違反所需的電路電壓條件或?qū)е绿摷傩盘?hào)。

旁路電容器與去耦電容器

在討論去耦電容器時(shí)，了解去耦電容器與旁路和耦合電容器之間的區(qū)別是很重要的。

旁路電容器用于為高阻抗路徑上的高頻噪聲提供低阻抗的分流通道，在許多情況下，它們也被稱為去耦電容器，因?yàn)樗鼈冇兄谠谠肼曈袡C(jī)會(huì)傳播到電路的其他部分之前最小化高頻噪聲，這可能會(huì)導(dǎo)致電路故障或設(shè)計(jì)生成的電磁干擾（EMI）問題。

另一方面，耦合電容器提供直流隔離，同時(shí)創(chuàng)建了一個(gè)用于音頻、視頻、射頻和高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的有意路徑。在高速接口上經(jīng)常使用耦合電容器，以確保連接設(shè)備上的任何直流電位差不會(huì)表現(xiàn)為設(shè)備之間的地面電流。

去耦電容器如何工作？

去耦電容器用于對(duì)抗來自許多不同源的干擾。同步開關(guān)邏輯和數(shù)據(jù)總線可能會(huì)導(dǎo)致大量瞬時(shí)電流流動(dòng)，從局部電源傳遞系統(tǒng)（PDS）中吸收大量電荷。當(dāng)發(fā)生這些瞬時(shí)負(fù)載時(shí)，PDS中的電感會(huì)阻止設(shè)計(jì)中的電源瞬時(shí)提供額外的電流給負(fù)載，這可能導(dǎo)致局部電源電壓下降或振鈴。

去耦電容器有助于提供局部瞬時(shí)電荷源，防止電源電壓下降，以及用于阻尼振鈴的旁路路徑。PDS上的噪聲也會(huì)在局部阻尼，有助于局部電路不受電源平面上的紋波干擾，否則可能會(huì)干擾電路。當(dāng)其他部分經(jīng)歷瞬時(shí)電流吸收時(shí)，此效果還會(huì)延伸到設(shè)計(jì)的其他部分，它們的去耦電容器進(jìn)一步減少了該電路部分的局部去耦。最后，在去耦角色中使用的旁路電容器有助于分流高頻回流路徑，防止它們?cè)陔娐穮^(qū)域之間流動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致電路故障或系統(tǒng)級(jí)EMI問題。了解更多有關(guān)旁路電容和其重要性的信息。

去耦電容器選擇指南

雖然任何去耦電容器都可以說比沒有好，但在實(shí)施去耦方案時(shí)需要考慮一些指導(dǎo)原則。因?yàn)殡娙萜餍枰杆偬峁╇娏?，所以選擇具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容器是最重要的方面，它將特性阻抗與與電感相關(guān)的任何阻抗相加。通常在去耦應(yīng)用中使用陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兙哂袑挏囟热萑潭?、能夠承受廣泛的電壓范圍、低ESR、穩(wěn)定性和可靠性。然而，電容器的構(gòu)造與包裝尺寸一樣重要，因?yàn)殡娙萜骰瘜W(xué)性質(zhì)的固有優(yōu)勢(shì)可能會(huì)被較大封裝尺寸引入的電感所抵消。

通常情況下，最小的可用封裝，否則符合設(shè)計(jì)參數(shù)的封裝是最佳選擇，盡管可能有進(jìn)一步減少電感的特殊旁路和去耦電容器封裝可用。較小的封裝還有一個(gè)好處，即減小了電容器電路的回路尺寸，從而進(jìn)一步減小了每個(gè)去耦電容器的電感。

增強(qiáng)電源和地面之間的電容器

優(yōu)化去耦電容器功能的其他方法包括確保電源和地面平面是連續(xù)且相鄰的，確保電容器盡可能靠近IC的電源和地面引腳，盡量使電路路徑到地面和電源平面盡可能短，并確保通過電容器的引腳或其旁邊進(jìn)行布線。相鄰的電源和地面平面應(yīng)該對(duì)稱地放置在設(shè)計(jì)中，并應(yīng)盡量減少平面和去耦電容器之間的層數(shù)。如果可能的話，電容器還應(yīng)分布在它們所去耦的區(qū)域。當(dāng)不可能進(jìn)行分布并且使用電容器組時(shí)，最好交替它們的方向以分散它們的連接點(diǎn)，防止來自多個(gè)相鄰的引腳通過平面引腳的有效分割。要使用的電容器數(shù)量主要取決于局部電路區(qū)域或IC中存在的電源和地面引腳數(shù)量，以及存在的I/O信號(hào)數(shù)量。具有模擬和數(shù)字部分的設(shè)計(jì)可能要求對(duì)電路或IC的各個(gè)段進(jìn)行去耦和旁路處理。

今天的數(shù)字設(shè)備在面對(duì)開關(guān)負(fù)載和其他系統(tǒng)噪聲源時(shí)可能面臨保持穩(wěn)定和安靜電源供應(yīng)的重大挑戰(zhàn)。通過在集成的去耦方案中正確使用大容量電源電容器和旁路電容器，設(shè)計(jì)師可以確保在系統(tǒng)內(nèi)部電源噪聲和其他噪聲源的情況下適當(dāng)減輕問題，并使其產(chǎn)品按設(shè)計(jì)工作。

去耦電容器是一種用于電子設(shè)備中的關(guān)鍵元件，用于減輕系統(tǒng)噪聲和電源干擾。它們通過提供局部電流源和隔離局部電路，將局部電路與其他部分分離開來，從而確保電路正常運(yùn)行。去耦電容器與旁路電容器和耦合電容器有所不同，其主要任務(wù)是消除高頻噪聲和穩(wěn)定電源電壓。

去耦電容器的工作原理是提供瞬時(shí)電荷源，以抵消來自大型負(fù)載的瞬時(shí)電流吸收，防止電源電壓下降和振鈴。它們還有助于阻止噪聲從電源傳播到電路的其他部分，確保電路的穩(wěn)定性。去耦電容器通常采用陶瓷材料，具有低等效串聯(lián)電阻（ESR），以便快速提供電流。

在設(shè)計(jì)中，去耦電容器的優(yōu)化包括選擇低ESR電容器、確保電源和地面平面連續(xù)且相鄰、盡量減小電路路徑的長度、并確保電容器封裝尺寸適當(dāng)。通過正確使用去耦電容器，設(shè)計(jì)師可以確保數(shù)字設(shè)備在面對(duì)噪聲和電源干擾時(shí)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)期性能。