數(shù)字電路中尖峰電流的形成原理解析

尖峰電流的形成：

數(shù)字電路輸出高電平時從電源拉出的電流Ioh和低電平輸出時灌入的電流Iol的大小一般是不同的，即：Iol＞Ioh。以下圖的TTL與非門為例說明尖峰電流的形成：

輸出電壓如右圖（a）所示，理論上電源電流的波形如右圖（b），而實際的電源電流保險如右圖（c）。由圖（c）可以看出在輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平時電源電流有一個短暫而幅度很大的尖峰。尖峰電源電流的波形隨所用器件的類型和輸出端所接的電容負(fù)載而異。

產(chǎn)生尖峰電流的主要原因是：

輸出級的T3、T4管短設(shè)計內(nèi)同時導(dǎo)通。在與非門由輸出低電平轉(zhuǎn)向高電平的過程中，輸入電壓的負(fù)跳變在T2和T3的基極回路內(nèi)產(chǎn)生很大的反向驅(qū)動電流，由于T3的飽和深度設(shè)計得比T2大，反向驅(qū)動電流將使T2首先脫離飽和而截止。T2截止后，其集電極電位上升，使T4導(dǎo)通?？墒谴藭rT3還未脫離飽和，因此在極短得設(shè)計內(nèi)T3和T4將同時導(dǎo)通，從而產(chǎn)生很大的ic4，使電源電流形成尖峰電流。圖中的R4正是為了限制此尖峰電流而設(shè)計。

低功耗型TTL門電路中的R4較大，因此其尖峰電流較小。當(dāng)輸入電壓由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，與非門輸出電平由高變低，這時T3、T4也可能同時導(dǎo)通。但當(dāng)T3開始進(jìn)入導(dǎo)通時，T4處于放大狀態(tài)，兩管的集－射間電壓較大，故所產(chǎn)生的尖峰電流較小，對電源電流產(chǎn)生的影響相對較小。

產(chǎn)生尖峰電流的另一個原因是負(fù)載電容的影響。與非門輸出端實際上存在負(fù)載電容CL，當(dāng)門的輸出由低轉(zhuǎn)換到高時，電源電壓由T4對電容CL充電，因此形成尖峰電流。

當(dāng)與非門的輸出由高電平轉(zhuǎn)換到低電平時，電容CL通過T3放電。此時放電電流不通過電源，故CL的放電電流對電源電流無影響。

尖峰電流的抑制方法：

1、在電路板布線上采取措施，使信號線的雜散電容降到最??；

2、 另一種方法是設(shè)法降低供電電源的內(nèi)阻，使尖峰電流不至于引起過大的電源電壓波動；

3、 通常的作法是使用去耦電容來濾波，一般是在電路板的電源入口處放一個1uF～10uF的去耦電容，濾除低頻噪聲；在電路板內(nèi)的每一個有源器件的電源和地之間放置一個0.01uF～0.1uF的去耦電容（高頻濾波電容），用于濾除高頻噪聲。濾波的目的是要濾除疊加在電源上的交流干擾，但并不是使用的電容容量越大越好，因為實際的電容并不是理想電容，不具備理想電容的所有特性。

去耦電容的選取可按C=1/F計算，其中F為電路頻率，即10MHz取0.1uF，100MHz取0.01uF。一般取0.1~0.01uF均可。

放置在有源器件傍的高頻濾波電容的作用有兩個，其一是濾除沿電源傳導(dǎo)過來的高頻干擾，其二是及時補充器件高速工作時所需的尖峰電流。所以電容的放置位置是需要考慮的。

實際的電容由于存在寄生參數(shù)，可等效為串聯(lián)在電容上的電阻和電感，將其稱為等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。這樣，實際的電容就是一個串聯(lián)諧振電路，其諧振頻率為：

實際的電容在低于Fr的頻率呈現(xiàn)容性，而在高于Fr的頻率上則呈現(xiàn)感性，所以電容更象是一個帶阻濾波器。

10uF的電解電容由于其ESL較大，F(xiàn)r小于1MHz，對于50Hz這樣的低頻噪聲有較好的濾波效果，對上百兆的高頻開關(guān)噪聲則沒有什么作用。

電容的ESR和ESL是由電容的結(jié)構(gòu)和所用的介質(zhì)決定的，而不是電容量。通過使用更大容量的電容并不能提高抑制高頻干擾的能力，同類型的電容，在低于Fr的頻率下，大容量的比小容量的阻抗小，但如果頻率高于Fr，ESL決定了兩者的阻抗不會有什么區(qū)別。

電路板上使用過多的大容量電容對于濾除高頻干擾并沒有什么幫助，特別是使用高頻開關(guān)電源供電時。另一個問題是，大容量電容過多，增加了上電及熱插拔電路板時對電源的沖擊，容易引起如電源電壓下跌、電路板接插件打火、電路板內(nèi)電壓上升慢等問題。

PCB布局時去耦電容擺放

對于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率，去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠(yuǎn)，最外層放置容值最大的。但是，所有對該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。

下面的圖1就是一個擺放位置的例子。本例中的電容等級大致遵循10倍等級關(guān)系。

還有一點要注意，在放置時，最好均勻分布在芯片的四周，對每一個容值等級都要這樣。通常芯片在設(shè)計的時候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的四個邊上的。因此，電壓擾動在芯片的四周都存在，去耦也必須對整個芯片所在區(qū)域均勻去耦。如果把上圖中的680pF電容都放在芯片的上部，由于存在去耦半徑問題，那么就不能對芯片下部的電壓擾動很好的去耦。

電容的安裝

在安裝電容時，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也是同樣。這樣流經(jīng)電容的電流回路為：電源平面->過孔->引出線->焊盤->電容->焊盤->引出線->過孔->地平面，圖2直觀的顯示了電流的回流路徑。

第一種方法從焊盤引出很長的引出線然后連接過孔，這會引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做，這是最糟糕的安裝方式。

第二種方法在焊盤的兩個端點緊鄰焊盤打孔，比第一種方法路面積小得多，寄生電感也較小，可以接受。

第三種在焊盤側(cè)面打孔，進(jìn)一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的方法。

第四種在焊盤兩側(cè)都打孔，和第三種方法相比，相當(dāng)于電容每一端都是通過過孔的并聯(lián)接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量用這種方法。最后一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接是可能會出現(xiàn)問題，是否使用要看加工能力和方式。

需要強(qiáng)調(diào)一點：有些工程師為了節(jié)省空間，有時讓多個電容使用公共過孔，任何情況下都不要這樣做。最好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計，減少電容數(shù)量。

由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容，你也可以使用20mil寬的引出線。引出線和過孔安裝如圖4所示，注意圖中的各種尺寸。

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