讲得太好了!电容,去耦和退耦的注意事项

时间:2023-03-31作者:佚名

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什么是去耦电容,为什么要去耦

去耦(decoupling)电容也称退耦电容,一般都安置在元件附近的电源处,用来滤除高频噪声,使电压稳定干净,保证元件的正常工作。

对于一个电路系统来说,一般有多个负载,这些负载的供电都来自同一个电源。

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去耦电容的选用

了解了什么是去耦电容后,那么问题来了:究竟需要多大容量的电容才能达到去耦的效果?这么多不同种类的电容选用哪种电容合适呢?为什么在很多电路上看到针对一个电源管脚会有多个容量大小不同、类型也不相同的电容一起工作呢?

讲得太好了!电容,去耦和退耦的注意事项

在一个芯片(比如FPGA/MCU)的电源管脚上需要多个不同容值、不同类型的电容并联达到较好的去耦效果。

我们用来去耦的电容器(不论是哪一种)用于在电源线上的瞬态干扰期间快速提供电流,它们都不只有“电容”一个属性,还有两个阻碍电流流动的部分:电阻(ESR) - 无论频率如何都呈现固定阻抗; 电感(ESL)- 随着频率的增加其阻抗也变得更高。而这三部分的值与电容的类型、容值、封装都有很大的关系。

作为最常用的去耦神器 - 陶瓷电容具有很低的ESR和ESL(它们也很便宜),其次是钽电容,提供适中的ESR和ESL,但相对有较高的电容/体积比,因此它们用于更高值的旁路电容,用于补偿电源线上的低频变化。对于陶瓷和钽电容,较大的封装通常意味着较高的ESL。

下图显示了0.1μF,封装为0603的陶瓷电容器的阻抗,该电容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR:

讲得太好了!电容,去耦和退耦的注意事项

正如前面讨论的,去耦电容的作用就是平滑掉高频变动的纹波电流,理想的电容器可以很容易地实现这一点,因为电容器的阻抗随着频率的增加而降低。但由于ESL的存在,在某个频率下阻抗实际上随频率开始上升,这个频率点又被称为自谐振频率点。我们再对比一下1μF的钽电容器,它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。

讲得太好了!电容,去耦和退耦的注意事项

由于其较高的电容值,钽电容器的阻抗在开始阶段低于陶瓷的阻抗,但是较高的ESR和ESL的影响导致阻抗在100kHz附近变平,在1MHz-10MHz高于陶瓷电容的阻抗,在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。设想一下,如果电路中的噪声频率是在10MHz左右,即使钽电容具有更高的电容,也不如放置一颗0.1μF的陶瓷电容更有效。如果我们要旁路掉更高频率的噪声,即使这个陶瓷电容也会存在太大的阻抗,我们就需要更低的ESL,也就是更小的封装。下图左侧表明两个同样是0603封装的电容并不改变其对高频噪声的去偶性能,只是相当于去耦电容的容量为二者的和而已,后面看到这个容量对旁路噪声的效果其实没有什么差别;而下图的右侧,一个0.1μF封装为0603的电容和100pF封装为0402的电容并联在一起,就可以覆盖更宽的高频范围,能够对两个频点的噪声进行去偶。

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