從信號(hào)完整性角度看電容應(yīng)用與計(jì)算

1. 去耦電容的選擇

實(shí)際的電容并不是理想，表現(xiàn)為：

a.電容具有引腳電感，當(dāng)頻率高到一定的值后會(huì)使得電容的阻抗增加；

b.電容具有ESR，這也會(huì)降低電容的性能；

c.電容有溫度特性，隨著溫度的改變，電容的介質(zhì)屬性會(huì)變化并引起容值的變化；

d.電容的容值會(huì)由于介質(zhì)老化而慢慢變化；

e.電容過壓會(huì)爆炸。

當(dāng)選擇去耦電容時(shí)，充分理解上述非理想性是很重要的，串聯(lián)電感和ESR的影響可以計(jì)算得到，關(guān)于溫度特性、老化特性和電壓范圍只能由生產(chǎn)廠家提供詳細(xì)資料。

用等效交流阻抗來評(píng)估一個(gè)去耦電容的優(yōu)劣，等效交流阻抗用電阻、電感和電容阻抗的均方根值來近似：ohms

其中：RESR：電容的串聯(lián)電阻；Xac：電容的等效交流阻抗；L：電容管腳、封裝、接插件電感的和。

下圖所示的為一個(gè)電容的頻響曲線。圖中可以看出電容的帶通特性（bandpass characteristics），低頻段，電容表現(xiàn)為電容，當(dāng)頻率增加，電感成分占了上風(fēng)，阻抗隨頻率增加而增加。

 

電容的阻抗很大程度上依賴于數(shù)字信號(hào)的頻譜成分。因此，應(yīng)該正確選擇這一頻率，可是在數(shù)字系統(tǒng)中因?yàn)樾盘?hào)包含很多頻率成分，所以這一頻率不是可以直接得到的。有一些方法可以得到旁路電容必須通過的最大頻率。

一些工程師簡單的選擇最大頻率為基頻的五次諧波，例如，如果總線的頻率為500MHz，它的五次諧波為2500MHz。如果電容的引腳電感或ESR很高，那么可以另外選擇電容或并聯(lián)放置電容以降低等效電感和電阻。

2. 去耦電容的去耦時(shí)間的計(jì)算

本文從另外一個(gè)更直觀的角度來說明去耦電容的這種特性，即電容的去耦時(shí)間。穩(wěn)壓電源以及去耦電容是構(gòu)成電源系統(tǒng)的兩個(gè)重要部分。對(duì)于，現(xiàn)在芯片的速度越來越快，尤其對(duì)于高速處理芯片，負(fù)載芯片的電流需求變化也是非?？?。內(nèi)部晶體管開關(guān)速度極快。

 

例如，處理芯片內(nèi)部有2000個(gè)晶體管同時(shí)發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換時(shí)間是1ns，總電流需求為600mA。

這就意味著，電源系統(tǒng)必須再1ns時(shí)間內(nèi)補(bǔ)足600mA瞬態(tài)電流。但是，對(duì)于目前的穩(wěn)壓源系統(tǒng)來說，在這么短的時(shí)間內(nèi)并不能反應(yīng)過來，相對(duì)于快速變化的電流，穩(wěn)壓源明顯滯后了。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)來說，穩(wěn)壓源的頻率響應(yīng)為幾百K左右，因?yàn)樵跁r(shí)域系統(tǒng)里，1/100KHz=10us，也就是說，穩(wěn)壓源最快的響應(yīng)時(shí)間為10us，無法在1ns時(shí)間里得到響應(yīng)。這樣的后果是，負(fù)載還在嗷嗷待哺等待電流，穩(wěn)壓源卻無法及時(shí)提供電流，總功率一定，電流增大了，于是電壓就會(huì)被拉下來，造成了軌道塌陷，因此噪聲就產(chǎn)生了。

如何解決呢？方法是并聯(lián)不同容值的電容器。因?yàn)?，穩(wěn)壓源需要10us才能反應(yīng)過來，所以在0-10us的時(shí)間里也不能干等著，需要用恰當(dāng)?shù)碾娙輥硌a(bǔ)充。

比如按照50mohm的目標(biāo)阻抗，可以計(jì)算出電容：

C=1/(2*PI*f*Z)=31.831uf

而電容的最高頻率同時(shí)可以計(jì)算出來，假設(shè)ESL為5nH,所以有f=Z/(2*PI*ESL)=1.6MHz。

也就是說加入31.831uf的電容，可以提供100KHz到1.6MHz頻段的去耦。另外，1/1.6MHz=0.625us，這樣一來，0.625us到10us這段時(shí)間電容能夠提供所需要的電流。10us之后，穩(wěn)壓源能夠提高需要的穩(wěn)定電流。

 

另外，加上一個(gè)大電容并不能滿足要求，通常還會(huì)放一些小電容，例如15個(gè)0.22uf的電容，可以提供高至100MHz的去耦，這些小電容的最快反應(yīng)時(shí)間是1/100MHz=1ns，因此，這些電流能夠保證1us之后的電流需求。

此外，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間可能還不太夠，一般需要將退耦頻率提高到500MHz，也就是反應(yīng)時(shí)間快到200ps，應(yīng)該就安全了。