信號(hào)完整性分析之我們到底需要多少旁路電容器？_高都電子

在此介紹性文章中，我會(huì)分享我個(gè)人對(duì)于電路板設(shè)計(jì)人員之間通常討論的一個(gè)問(wèn)題的看法：我們需要多少旁路電容？正如我們通常與我的Eric Bogatin說(shuō)到的：“這要看具體情況了。”不過(guò)至少在一般而言，從歷史的角度來(lái)看現(xiàn)有的設(shè)計(jì)限制，我們應(yīng)該能總結(jié)出相對(duì)具體的答案。

比如圖1的電腦板。

圖1.一塊使用二極管和晶體管的上世紀(jì)60，70年代的電腦板

這是一個(gè)舊的布滿二極管和晶體管電腦板，執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的DTL門功能（二極管晶體邏輯）。它大約是生產(chǎn)于20世紀(jì)60年代或70年代初。在我們配電設(shè)計(jì)課程中，我利用這塊電腦板提出了一個(gè)問(wèn)題：你能數(shù)出這個(gè)板上有多少旁路電容么？

答案很驚人是零。為那為什么今天我們會(huì)在電路板上到處找尋位置來(lái)放置許多旁路電容，從而來(lái)降低我們電子產(chǎn)品的噪音呢？

現(xiàn)在不論是一個(gè)新的筆記本電腦或大型電腦板，我們都可以再上面找到幾百甚至幾千的電容。為了理解在短短數(shù)十年來(lái)發(fā)生的這一顯著變化的原因，我們必須研究旁路電容的作用和旁路電容是容如何工作的。

無(wú)論是模擬或數(shù)字，所有的電子電路，最終都會(huì)生成（與/或）程序交互電信號(hào)。其運(yùn)作過(guò)程中，他們?nèi)∽噪娫吹墓?yīng)電流不斷變化，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)作情況來(lái)確定所需供應(yīng)電流的大小。有時(shí)電路需要的電流較少，有時(shí)卻很多，這中不同需求的變化，也不斷改變著電源軌中的電流。這些不斷變化的電流流過(guò)電線以及印刷電路板上的電源和電子器件間的布線與層面，產(chǎn)生出電壓變化：

?V 是電壓變化, L代表在供應(yīng)路徑中的電感;dI/dt隨時(shí)間發(fā)生改變的電流變化率。

小的電壓波動(dòng)會(huì)被電子器件所接受，但每個(gè)電路為了保證正常工作都會(huì)有一個(gè)最高和最低限額。我們必須設(shè)法限制電源電壓的變化，否則它會(huì)因?yàn)樗桦娏鞯淖兓a(chǎn)生變化。我們必須在電路和電源路徑上的串聯(lián)電感之間放置蓄存器。電容是一個(gè)很好的蓄存器，因?yàn)椴煌陔姼?，電容兩端的電壓（如果我們忽視它的寄生元件）將不?huì)因?yàn)橥蝗坏碾娏鞲淖兌l(fā)生劇烈變化。

要確定我們什么樣的，以及多少電容器，比較方便的是從頻域?yàn)榍腥朦c(diǎn)來(lái)看問(wèn)題。配電網(wǎng)絡(luò) (PDN)可以以許多不同形式進(jìn)行模擬，從簡(jiǎn)單的集總等效電路，到詳細(xì)的網(wǎng)格模型。對(duì)于我們現(xiàn)在討論的，我想一個(gè)簡(jiǎn)單的集總等效電路就夠了。

圖2中的圖表顯示了簡(jiǎn)化的PDN等效阻抗。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)熟悉Bode plot圖示，我們使用對(duì)數(shù)指標(biāo)log-log在坐標(biāo)軸上。請(qǐng)注意，為了簡(jiǎn)單起見，該圖表只顯示阻抗值，但在以后的文章離我們會(huì)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)我們使用PDN 阻抗來(lái)計(jì)算電路的表現(xiàn)的是很該階段是很重要的。

圖2.簡(jiǎn)化的PDN集總等效阻抗

途中藍(lán)色的線代表了電源的阻抗，該電源可以是一個(gè)電池或電源轉(zhuǎn)換器。在低頻時(shí)候阻抗較低，但在更高頻率的時(shí)候，導(dǎo)線，布線，層面的連接電感最終將占據(jù)主導(dǎo)地位。綠色線代表了有源器件的阻抗。如果我們將該阻抗圖標(biāo)對(duì)應(yīng)在板封裝接口處，綠色線代表了有源器件連同封裝，以及封裝上PDN電容的阻抗。我們稱那些有源器件為“硅silicon”，但他們可以是任何類型的有源電路：在那塊舊的電腦板上有源器件是鍺晶體管。

綜上，藍(lán)色和綠色線產(chǎn)生了三角型的阻抗配置，并且在低頻和高頻的尾部是平坦的。如果在這個(gè)系統(tǒng)上不增加旁路電容，任何噪聲電流每次擊中這個(gè)三角峰值頻率時(shí)都可能會(huì)造成很多噪音。頻率軸上從左到右延伸的粗黑線是用來(lái)標(biāo)明我們感興趣的頻率范圍，與 PDN阻抗有聯(lián)系的。我們感興趣的頻率范圍并不一定是連續(xù)的頻譜的一部分，特別是對(duì)連接到相同的電源電壓卻具有不同功能的復(fù)合電路來(lái)說(shuō)。

如果要研究的頻率范圍不是在藍(lán)色和綠色的曲線構(gòu)成的阻抗峰值所在頻率之間，那么該電路將正常工作而不需要增加旁路電容。如果電路的工作激發(fā)了阻抗峰值，那么我們需要增加旁路電容，以減少阻抗，從而降低噪音。圖標(biāo)上紅色虛線代表一個(gè)旁路電容的阻抗，用來(lái)補(bǔ)充電源和有源器件的阻抗，也使寬頻帶的整體阻抗值變得較低。

那么，為什么在舊的電腦板上不需要旁路電容？主要是因?yàn)殒N晶體管的切換緩慢，并且時(shí)鐘頻率十分低，即短暫的開關(guān)電流不激發(fā)PDN阻抗的高阻抗部分。

今天的高速電子產(chǎn)品，復(fù)雜的電路功能和高時(shí)鐘頻率，大部分時(shí)間我們要關(guān)心的一個(gè)頻寬很寬的 PDN阻抗，因此，我們不能允許在源和負(fù)載阻抗之間有很高很明顯的阻抗峰值。因此，我們需要旁路電容器。如果我們快進(jìn)幾十年里，我們可以很容易預(yù)測(cè)到電路板又將沒(méi)有旁路電容了。

因?yàn)椋?dāng)分布式電源都足夠小，以至于我們可以把他們放置在非常接近負(fù)載的時(shí)候，則互連電感將變低，同時(shí)有源器件中的芯片和封裝電容量將更大，這樣我們將又回到電路板上不需要旁路電容的年代了。