關(guān)于放置旁路電容器的問題

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通過一次關(guān)于基本知識的對話，讓我們深入考察那沒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、沒有什么魅力的元器件，一般來說，在許多專題特寫中不把它作為主題，但是，它對于成功、可靠和無差錯(cuò)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。來自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz參加了關(guān)于該主題的進(jìn)一步對話。本文是對話的第一部分。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題的價(jià)值；簡而言之，為了獲取知識而展開對一個(gè)問題的討論，下面請“聆聽”并學(xué)習(xí)。

David:?有一種觀念認(rèn)為，當(dāng)我們做旁路設(shè)計(jì)時(shí)，我們對低頻成分要采用大電容(微法級)，而對高頻成分要采用小電容(納法或皮法級)。
Tamara:?我贊成，那有什么錯(cuò)嗎？
David:?那聽起來很好并且是有意義的，但是，問題在于當(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)，這樣對于短路來說，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。

圖1：旁路電容功能

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電容就沒有意義。它會(huì)增加1%的容值，誰會(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)電阻來考慮，如圖2所示。

圖2：旁路電容的模型

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。

圖3：旁路電容的阻抗

David:?(顯示出對年輕同事所具有的知識的驚訝)
Tamara:?我曾經(jīng)看到過一些人把100 nF、10 nF和1 nF的電容分級并聯(lián)起來使用，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補(bǔ)。

David:?我們在實(shí)驗(yàn)室中所發(fā)現(xiàn)的問題在于，各種封裝均是類似的。我們所采用的大多數(shù)陶瓷電容均為面積是0805或0603的電容。我測試發(fā)現(xiàn)，把0603 0.1 μF電容挨著0603 100pF電容安裝，效果上不如僅僅采用兩個(gè)0603 0.1 μF的電容。
Tamara:?那是完全有可能。我猜測，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。

圖4：相同尺寸和不同尺寸的電容的阻抗比較

David:?是的，ESR和ESL是原數(shù)值的一半且非常管用。在這些應(yīng)用中，我所研制的開關(guān)調(diào)整器的工作頻率大約為1MHz。
Tamara:?在你的情況下，要調(diào)整電容的數(shù)值以及封裝，以改善對你沒有興趣的那個(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。過去，人們采用他們手上能用的一切元器件。那時(shí)，你無法獲得封裝小的100 μF電容，你不得不通過縮短旁路電容器上的引線來改善旁路網(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]有看過0402封裝的電容，我傾向于不采用那些電容)。
Tamara:?按照分級封裝的階梯電容(stepped capacitor)的確切含義來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，他們設(shè)法測試了所有的條件。因此，他們在高達(dá)5Gsps的寬頻帶內(nèi)需要一種低阻抗電容對電源旁路。另一方面，你需要一種較低帶寬的解決方案。
David:?我的評論全部來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)的簡單規(guī)則之一。
Tamara:?當(dāng)然，你可以購買具有較低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，第三部分的對話，請“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“來自新澤西Fort Lee的Richard Fader寫道：這就是我聽說的關(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)。在高幅度射頻場中，他慣常于把電容器級聯(lián)起來以旁路他的電路。
Dave:?正如我們所說的，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:?他也問到了耦合電容?？磥硭麄冊隈詈想娙萆嫌龅降膯栴}不如在旁路電容上遇到的問題大。
Dave:?是的，我已經(jīng)注意到了那個(gè)問題，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)問題。這里是Carl的評價(jià)。他對我們最近關(guān)于接地平面上的電壓降問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。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)通孔元件或過孔破壞了一個(gè)接地層時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。

圖5：視頻混合器的電路板排版圖。邊緣電流線顯示出現(xiàn)串?dāng)_的可能性；帶引腳的元件破壞接地層，并把電流線聚集在一起 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，來自輸入的大多數(shù)回流通過圍繞這個(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。表面安裝的元件對解決這個(gè)問題有很大幫助，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孔它均能消除這個(gè)問題。如圖6所示。

圖6：視頻混合電路板利用分開的接地層來把串?dāng)_最小化 Tamara:?免費(fèi)、容易且有效—聽起來就像放之四海皆準(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:?他們怎么想的？
Tamara:?我們在旁路電容上花費(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，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，對不起。那么，現(xiàn)在我們在哪里跟蹤電流路徑，Tamar博士。
Tamara:?我認(rèn)為，我們需要做稍微深入的討論，并通過一個(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)簡單的電路中，電流是在哪里流過的。讓我們看看驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載的運(yùn)放的輸出。下面是一塊簡單的電路和電路板。
Dave:?好，讓我們把討論做的有趣一些。對于輸入偏置級的電壓參考來說，怎么樣？
Tamara:?圖7所示為具有增益為2的單電源運(yùn)放配置。

圖7：簡單的運(yùn)算放大器以及電壓參考電路 Dave:?電壓參考偏置均以電源電壓的一半來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。

圖8：單運(yùn)放及其電壓參考電路的印刷電路板排版 Dave: 讓我們跟蹤電流的路徑(圖9a和圖9b)。

圖9a和圖9b：在參考電壓中的交流以及直流路徑 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)路通過輸出旁路電容器C5以及參考旁路電容器C3。我猜測那就是為什么你把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。為了形成對照，請參見直流電流的回路。
Tamara:?它們在整塊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:?那就是為什么我們在第一個(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，請看以下放大器的輸出電流(圖10a和圖10b)。

圖10a和圖10b：在在運(yùn)放中的交流以及直流路徑 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有出現(xiàn)你的著名的切割，為什么沒有？
Dave:?那個(gè)信號的確沒有機(jī)會(huì)相互作用。信號流直接從左邊流向右邊—輸入至輸出。我們沒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線圍起來并防止邊緣電流相互作用上最為有用。
Dave:?絕對正確?？墒?，不要忘記這整個(gè)對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的最重要的事情：關(guān)于放置旁路電容器的問題幾乎總是可以通過跟蹤電流的路徑并最小化電流的環(huán)路面積來回答。