資深工程師談高速數(shù)字系統(tǒng)的濾波電容
我們?cè)陔娫礊V波電路上可以看到各種各樣的電容，100uF，10uF，100nF，10nF不同的容值，那么這些參數(shù)是如何確定的？
數(shù)字電路要運(yùn)行穩(wěn)定可靠，電源一定要”干凈“，并且能量補(bǔ)充一定要及時(shí)，也就是濾波去耦一定要好。什么是濾波去耦，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在芯片不需要電流的時(shí)候存儲(chǔ)能量，在你需要電流的時(shí)候我又能及時(shí)的補(bǔ)充能量。不要跟我說(shuō)這個(gè)職責(zé)不是DCDC、LDO的嗎，對(duì)，在低頻的時(shí)候它們可以搞定，但高速的數(shù)字系統(tǒng)就不一樣了。
先來(lái)看看電容，電容的作用簡(jiǎn)單的說(shuō)就是存儲(chǔ)電荷。我們都知道在電源中要加電容濾波，在每個(gè)芯片的電源腳放置一個(gè)0.1uF的電容去耦。等等，怎么我看到要些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么講究嗎。要搞懂這個(gè)道道就要了解電容的實(shí)際特性。理想的電容它只是一個(gè)電荷的存儲(chǔ)器，即C。而實(shí)際制造出來(lái)的電容卻不是那么簡(jiǎn)單，分析電源完整性的時(shí)候我們常用的電容模型如下圖所示。
圖中ESR是電容的串聯(lián)等效電阻，ESL是電容的串聯(lián)等效電感，C才是真正的理想電容。ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的，沒(méi)法消除。那這兩個(gè)東西對(duì)電路有什么影響。ESR影響電源的紋波，ESL影響電容的濾波頻率特性。
我們知道電容的容抗Zc=1/ωC，電感的感抗Zl=ωL，（ ω=2πf），實(shí)際電容的復(fù)阻抗為Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf L-1/j2πf C。可見(jiàn)當(dāng)頻率很低的時(shí)候是電容起作用，而頻率高到一定的時(shí)候電感的作用就不可忽視了，再高的時(shí)候電感就起主導(dǎo)作用了。電容就失去濾波的作用了。所以記住，高頻的時(shí)候電容就不是單純的電容了。實(shí)際電容的濾波曲線(xiàn)如下圖所示。
上面說(shuō)了電容的等效串聯(lián)電感是電容的制造工藝和材料決定的，實(shí)際的貼片陶瓷電容的ESL從零點(diǎn)幾nH到幾個(gè)nH，封裝越小ESL就越小。
從上面電容的濾波曲線(xiàn)上我們還看出并不是平坦的，它像一個(gè)’V’，也就是說(shuō)有選頻特性，在時(shí)候我們希望它是越平越好（前級(jí)的板級(jí)濾波），而有時(shí)候希望它越越尖越好（濾波或陷波）。影響這個(gè)特性的是電容的品質(zhì)因素Q， Q=1/ωCESR，ESR越大，Q就越小，曲線(xiàn)就越平坦，反之ESR越小，Q就越大，曲線(xiàn)就越尖。通常鉭電容和鋁電解有比較小的ESL，而ESR大，所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍，非常適合前級(jí)的板級(jí)濾波。也就是在DCDC或者LDO的輸入級(jí)常常用較大容量的鉭電容來(lái)濾波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的電容來(lái)去耦，陶瓷電容有很低的ESR。
說(shuō)了那么多，那到底我們?cè)诳拷酒墓苣_處放置0.1uF還是0.01uF，下面列出來(lái)給大家參考。
所以，以后不要見(jiàn)到什么都放0.1uF的電容，有些高速系統(tǒng)中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
