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去耦电容的摆放问题

2019-07-14 02:32发布

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电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。大多数资料中都会提到电容摆放要尽量靠近芯片，多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离问题。确实，减小电感是一个重要原因，但是还有一个重要的原因大多数资料都没有提及，那就是电容去耦半径问题。如果电容摆放离芯片过远，超出了它的去耦半径，电容将失去它的去耦的作用。 理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。 特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好，我们以这个频率来衡量这种相位关系。设自谐振频率为f，对应波长为L，补偿电流表达式可写为： [转载]电容的去耦半径计算
 其中，A是电流幅度，R为需要补偿的区域到电容的距离，C为信号传播速度。 当扰动区到电容的距离达到L/4时，补偿电流的相位为pi=3.14，和噪声源相位刚好差180度，即完全反相。此时补偿电流不再起作用，去耦作用失效，补偿的能量无法及时送达。为了能有效传递补偿能量，应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多，如果距离为0，则补偿能量百分之百传递到扰动区。这就要求噪声源距离电容尽可能的近，要远小于L/4。实际应用中，这一距离最好控制在L/50~L/40之间，这是一个经验数据。 例如：0.001uF陶瓷电容，如果安装到电路板上后总的寄生电感为1.6nH，那么其安装后的谐振频率为125.8MHz，谐振周期为7.95ps。假设信号在电路板上的传播速度为166ps/inch，则波长为47.9英寸。电容去耦半径为47.9/50=0.958英寸，大约等于2.4厘米。 本例中的电容只能对它周围2.4厘米范围内的电源噪声进行补偿，即它的去耦半径2.4厘米。不同的电容，谐振频率不同，去耦半径也不同。对于大电容，因为其谐振频率很低，对应的波长非常长，因而去耦半径很大，这也是为什么我们不太关注大电容在电路板上放置位置的原因。对于小电容，因去耦半径很小，应尽可能的靠近需要去耦的芯片，这正是大多数资料上都会反复强调的，小电容要尽可能近的靠近芯片放置。 注：有网友向我提问：我看过一些方案，确实有先大后小得顺序，不知道他们这样排是有目的、有依据的，还是觉得两种没啥差别，随便排的？ 回答：大电容靠前，有一个优点就是，上电时可以减弱电流过冲的影响，如果小的靠前的话，过冲保护的效果就不明显了，而且，上面我贴的一系列理论计算推导都是有根据的。 实际上，如果你自己按照上面给出的方式计算的话，0.001uF的半径都有100mil了，大电容的半径更大，所以整体上来说，都是不会超出去耦半径的，在都不超出去耦半径的条件下，可以优先考虑电流过冲的影响，所以大电容靠前了。


 
1、根据电容的容值C，可知道对应出其寄生电感的值L 
例如：已知0603、0402封装的电容的寄生电感的感值为1.6nH 则可以计算出其电容的谐振频率为 
则谐振周期为 T=7.95ns 
2、若信号在电路板上的传播速度为V’=166ps/inch=0.006 inch/ps=6 inch/ns 则谐振波长为 

电容的去耦半径R约为波长的1/40—1/50，这里取波长的1/50，则 去耦半径为： 
            可推算出1nF电容去耦半径2.4cm

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