|
|
耦合：耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的電路元件或電網(wǎng)絡(luò)等的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。
寄生耦合：寄生耦合是指在設(shè)計(jì)的耦合之外由于布線或器件特性而額外產(chǎn)生的耦合現(xiàn)像。比如連接電容的PCB線路過近，會(huì)額外的增加電容耦合的電容量，尤其是高頻電路中小容量電容，并排的布線就可以改變電容量。
退耦：所謂退耦，即防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時(shí)，在供電電路中所形成的電流沖擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。換言之，退耦電路能夠有效的消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦合。
人性化解釋：
當(dāng)芯片內(nèi)部進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作或輸出發(fā)生變化時(shí)，需要瞬時(shí)從電源線上抽取較大電流，該瞬時(shí)的大電流可能導(dǎo)致電源線上電壓的降低，從而引起對(duì)自身和其他器件的干擾。為了減少這種干擾，需要在芯片附近設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)電的“小水池”以提供這種瞬時(shí)的大電流能力。
詳細(xì)釋義
電路系統(tǒng)中變化的電流對(duì)系統(tǒng)供電電源里的電源內(nèi)阻起作用，從而導(dǎo)致電源向電路輸出實(shí)際電壓產(chǎn)生抖動(dòng)。
如果從電源引出一個(gè)較小的電阻，該電阻串聯(lián)一個(gè)電容到地，該阻容節(jié)點(diǎn)就可以為需要退耦的電子元器件供電了。雖然該阻容節(jié)點(diǎn)上的電位有所下降，但在該節(jié)點(diǎn)上的電壓卻會(huì)趨于穩(wěn)定。這是RC積分網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用實(shí)例。該電容就是退耦電容。
有時(shí)我們從電路上看不到這個(gè)從電源引出的小電阻，那是因?yàn)橛须娐钒邈~箔在當(dāng)作小電阻使用。因?yàn)槌说浇^對(duì)0溫度時(shí)，世界上不存在真正0歐姆的電阻。
這就是去耦。由此可見，去耦是為了盡可能的獲得穩(wěn)定的供電電壓的。主要是針對(duì)電源內(nèi)阻而設(shè)置的，如果電源內(nèi)阻為0，并且電路板銅箔電阻為0，那就真的不需要設(shè)置退耦回路了
退耦濾波電容的取值通常為47~200μF，退耦壓差越大時(shí)，電容的取值應(yīng)越大。所謂退耦壓差指前后電路網(wǎng)絡(luò)工作電壓之差。
如下圖為典型的RC退耦電路，R起到降壓作用：
原因很簡單，因?yàn)樵诟哳l情況下工作的電解電容與小容量電容相比，無論在介質(zhì)損耗還是寄生電感等方面都有顯著的差別（由于電解電容的接觸電阻和等效電感的影響，當(dāng)工作頻高于諧振頻率時(shí)，電解電容相當(dāng)于一個(gè)電感線圈，不再起電容作用）。在不少典型電路，如電源退耦電路，自動(dòng)增益控制電路及各種誤差控制電路中，均采用了大容量電解電容旁邊并聯(lián)一只小電容的電路結(jié)構(gòu)，這樣大容量電解電容肩負(fù)著低頻交變信號(hào)的退耦，濾波，平滑之作用；而小容量電容則以自身固有之優(yōu)勢(shì)，消除電路網(wǎng)絡(luò)中的中，高頻寄生耦合。在這些電路中的這一大一小的電容均稱之為退耦電容。 大家看到圖中，在一個(gè)大容量的電解電容C1旁邊又并聯(lián)了一個(gè)容量很小的無極性電容C2還有些電路存在一些設(shè)置直流工作點(diǎn)的電阻，為消除其對(duì)于交流信號(hào)的耦合或反饋?zhàn)饔镁托枰谄渖喜⒙?lián)適當(dāng)?shù)碾娙輥頊p少對(duì)交流信號(hào)的阻抗。這些電容均起到退耦作用稱之為退耦電容。
注釋：
①高頻干擾，低頻干擾的分界線——20MHZ
②電容的頻率阻抗特性：理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低
③旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。
旁路主要是為了減少電源上的噪聲對(duì)器件本身的干擾（自我保護(hù)）；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對(duì)電源的干擾（家丑不外揚(yáng)）。
有人說退耦是針對(duì)低頻、旁路是針對(duì)高頻，我認(rèn)為這樣說是不準(zhǔn)確的，高速芯片內(nèi)部開關(guān)操作可能高達(dá)上GHz，由此引起對(duì)電源線的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍，為此目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。
信號(hào)耦合常見方法是用電容器，變壓器，光耦合器等。
退耦常見方法是給各部分電路的電源并聯(lián)電容器。
退耦與濾波：退耦通常是針對(duì)電源來說的，在電源上并聯(lián)一些高頻小容量的電容，濾掉電源線上的交流信號(hào)；濾波包含了退耦；濾波在信號(hào)鏈上，顧名思義，就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇，主要有四種形式：低通，高通，帶通和帶阻。退耦電容常用的容量有：104和103；通常如果有可能，盡量在集成電路的電源輸入端加一個(gè)退耦電容。
pcb設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則：“在電路板的電源接入端放置一個(gè) 1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個(gè)器件的電源與地線之間放置一個(gè)0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。”首選法則（老外俗稱 Rule of Thumb）。做電路的人都知道需要在芯片附近放一些小電容，至于放多大？放多少？怎么放？
什么是旁路？旁路（Bypass），是指給信號(hào)中的某些有害部分提供一條低阻抗的通路。電源中高頻干擾是典型的無用成分，需要將其在進(jìn)入目標(biāo)芯片之前提前干掉，一般我們采用電容到達(dá)該目的。用于該目的的電容就是所謂的旁路電容（Bypass Capacitor）,它利用了電容的頻率阻抗特性（理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低），可以看出旁路電容主要針對(duì)高頻干擾（高是相對(duì)的，一般認(rèn)為20MHz以上為高頻干擾，20MHz以下為低頻紋波）。
芯片工作時(shí)是怎樣在電源線上產(chǎn)生干擾的
實(shí)際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感值，因此就IC級(jí)分析的SSN和地彈噪聲在進(jìn)行Board Level分析時(shí)，以同樣的方式存在，而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個(gè)電源分布系統(tǒng)來說（Power Distribute System）來說，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。因?yàn)樾酒敵龅拈_關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作，需要瞬時(shí)的從電源抽取較大的電流，而電源特性來說不能快速響應(yīng)該電流變化，高速開關(guān)電源開關(guān)頻率也僅有MHz量級(jí)。為了保證芯片附近電源線上的電壓不至于因?yàn)?/font>SSN和地彈噪聲降低超過器件手冊(cè)規(guī)定的容限，這就需要在芯片附近為高速電流需求提供一個(gè)儲(chǔ)能電容，這就是我們所要的退耦電容。
如果電容是理想的電容，選用越大的電容當(dāng)然越好了，因?yàn)樵酱箅娙菰酱�，瞬時(shí)提供電量的能力越強(qiáng)，由此引起的電源軌道塌陷的值越低，電壓值越穩(wěn)定。但是，實(shí)際的電容并不是理想器件，因?yàn)椴牧�、封裝等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。我們都知道實(shí)際電容的模型簡單的以電容、電阻和電感建立。除電容的容量C以外，還包括以下寄生參數(shù)：
1、等效串聯(lián)電阻ESR（Resr）：電容器的等效串聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有大的交流電流通過電容器，Resr使電容器消耗能量(從而產(chǎn)生損耗)，由此電容中常用用損耗因子表示該參數(shù)。
2、等效串聯(lián)電感ESL（Lesl）：電容器的等效串聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。
3、等效并聯(lián)電阻EPR Rp ：就是我們通常所說的電容器泄漏電阻，在交流耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)應(yīng)用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當(dāng)電容器用于高阻抗電路時(shí)，Rp是一項(xiàng)重要參數(shù)，理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實(shí)際電容器中的Rp使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。
還是兩個(gè)參數(shù)RDA、CDA 也是電容的分布參數(shù)，但在實(shí)際的應(yīng)該中影響比較小，這就省了吧。所以電容重要分布參數(shù)的有三個(gè)：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、 ESL，實(shí)際在分析電容模型的時(shí)候一般只用RLC簡化模型，即分析電容的C、ESR、ESL。因?yàn)榧纳鷧?shù)的影響，尤其是ESL的影響，實(shí)際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線，低頻時(shí)隨頻率的升高，電容阻抗降低；當(dāng)?shù)阶畹忘c(diǎn)時(shí)，電容阻抗等于ESR；之后隨頻率的升高，阻抗增加，表現(xiàn)出電感特性（歸功于ESL）。因此 對(duì)電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值，還需要綜合考慮其他因素。包括： 1、電容容值；2、電介質(zhì)材料；3、電容的幾何尺寸和放置位置。
所有考慮的出發(fā)點(diǎn)都是為了降低電源地之間的感抗（滿足電源最大容抗的條件下），在有瞬時(shí)大電流流過電源系統(tǒng)時(shí)，不至于產(chǎn)生大的噪聲干擾芯片的電源地引腳。選用常見的有兩種方法計(jì)算所需的電容：簡單方法：由輸出驅(qū)動(dòng)的變化計(jì)算所需退耦電容的大��； 復(fù)雜方法：由電源系統(tǒng)所允許的最大的感抗計(jì)算退耦電容的大小。
二、計(jì)算退耦電容值
我們假設(shè)一個(gè)模型，在一個(gè)Vcc＝3.3V的SRAM系統(tǒng)中，有36根輸出數(shù)據(jù)線，單根數(shù)據(jù)線的負(fù)載為Cload＝30pF（相當(dāng)?shù)拇罅耍敵鲵?qū)動(dòng)需要在Tr＝2ns（上升時(shí)間）內(nèi)將負(fù)載從0V驅(qū)動(dòng)到3.3V，該芯片資料里規(guī)定的電源電壓要求是3.3V＋0.3V/-0.165V。 可以看出在SRAM的輸出同時(shí)從0V上升到3.3V時(shí)，從電源系統(tǒng)抽取的電流最大，我們選擇此時(shí)計(jì)算所需的退耦電容量。我們采用第一種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，單根數(shù)據(jù)線所需要的電流大小為：
I＝Cload×（dV/dt）＝30pF×（3V/2ns）=45mA; 36根數(shù)據(jù)線同時(shí)翻轉(zhuǎn)時(shí)的電流大小為Itot＝45mA×36＝1.62A。芯片允許的供電電壓降為0.165V，假設(shè)我們?cè)试S該芯片在電源線上因?yàn)?/font>SSN引入的噪聲為50mV，那么所需要的電容退耦電容為：
C＝I×（dt/dV）＝1.62A×（2ns/50mV）=64nF；
從標(biāo)準(zhǔn)容值表中選用兩個(gè)34nF的電容進(jìn)行并聯(lián)以完成該值，正如上面提到的退耦電容的選擇在實(shí)際中并不是越大越好，因?yàn)樵酱蟮碾娙菥哂懈蟮姆庋b，而更大的封裝可能引入更大的ESL，ESL的存在會(huì)引起在IC引腳處的電壓抖動(dòng)（Glitching），這個(gè)可以通過V＝L×（di/dt）公式來說明，常見貼片電容的L大約是1.5nH，那么V＝1.5nH×（1.62A/2ns）=1.2V，考慮整個(gè)Bypass回路的等效電感之后，實(shí)際電路中glitch 會(huì)小于該值。通過前人做的一些仿真的和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，退耦電容上的Glitch與同時(shí)驅(qū)動(dòng)的總線數(shù)量有很大關(guān)系。 因?yàn)?/font>ESL在高頻時(shí)決定了電源線上的電流提供能力，我們采用第二種方法再次計(jì)算所需的退耦電容量。這中方法是從Board Level考慮單板，即從Bypass Loop的總的感抗角度進(jìn)行電容的計(jì)算和選擇，因此更具有現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)然需要考慮的因素也就越多，實(shí)際問題的解決總是這樣，需要一些折中，需要一點(diǎn)妥協(xié)。
同樣使用上面的假設(shè)，電源系統(tǒng)的總的感抗最大：
Xmax＝（dV/dI）＝0.05/1.62=31m歐；
在此，需要說明我們引入的去耦電容是為了去除比電源的去耦電容沒有濾除的更高頻率的噪聲，例如在電路板級(jí)參數(shù)中串聯(lián)電感約為Lserial＝5nH，那么電源的退耦頻率： Fbypass＝Xmax/(2pi×Lserial)＝982KHz，這就是電源本身的濾波頻率，當(dāng)頻率高于此頻率時(shí)，電源電 路的退耦電路不起作用，需要引入芯片的退耦電容進(jìn)行濾波。另外引入另外一個(gè)參數(shù)——轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率Fknee，該頻率決定了數(shù)字電路中主要的能量分布，高于該頻率的分量認(rèn)為對(duì)數(shù)字電路的上升沿和下降沿變化沒有貢獻(xiàn)。在High-Speed Digital Design:A Hand Book of Black Magic這本書的第一章就詳細(xì)的討論了該問題，在此不進(jìn)行詳細(xì)說明。只是引入其中推倒的公式：
Fknee＝（1/2×Tr）＝250MHz，其中Tr＝2ns； 可見Fknee遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fbypass，5nH的串聯(lián)電感肯定是不行了。那么計(jì)算：
Ltot＝Xmax/(2pi×Fknee)＝(Xmax×Tr/pi)=19.7pH; 如前面提到的常見的貼片電容的串聯(lián)電感在1.5nH左右，所需要的電容個(gè)數(shù)是：
N＝（Lserial/Ltot）=76個(gè)，另外當(dāng)頻率降到Fbypass的時(shí)候，也應(yīng)該滿足板級(jí)容抗需要即： Carray=(1/（2pi×Fbypass×Xmax）)＝5.23uF； Celement=Carray/N=69nF; 哇噻，真不是一個(gè)小數(shù)目啊，這么多��！如果單板上還有其他器件同時(shí)動(dòng)作，那么需要更多的電容呢!如果布不下，只能選擇其他具有更小電感值的電容了。
三、電容分類和標(biāo)識(shí)
電容選擇上都采用的MLCC①的電容 進(jìn)行退耦，常見的MLCC的電容因?yàn)?strong>介質(zhì)的不同可以進(jìn)行不同的分類，可以分成NPO②的第一類介質(zhì)，X7R③和Z5U④等的第二、三類介質(zhì)。EIA對(duì)第二、三類介質(zhì)使用三個(gè)字母，按照電容值和溫度之間關(guān)系詳細(xì)分類為：第一個(gè)數(shù)字表示下限類別溫度： X：－55度；Y：－30度；Z：＋10度 第二個(gè)數(shù)字表示上限溫度： 4：＋65度；5：＋85度；6：105度；7：125度；8：150度； 第三個(gè)數(shù)字表示25度容量誤差： P：＋10％/-10％；R：＋15％/-15％；S：＋22％/-22％； T：＋22％/-33％；U：＋22％/-56％；V：＋22％/-82％ 例如我們常見的Z5U，表示工作溫度是10度～85度，標(biāo)稱容量偏差＋22％/-82％，就這玩意兒我們還大用特用啊。
介質(zhì)性能好的電容容量做不大，容量大的介質(zhì)常量不好，生活啊，你怎么總是這么矛盾�。∮绕渲匾囊稽c(diǎn)是MLCC電容提供的電容值都是指靜電容量，表示電容在很低的電壓下測試得到的電容量，當(dāng)電容的兩端的直流電壓在不超過電容耐壓下加大時(shí)電容量將急劇下降，例如在某耐壓16V 的MLCC電容的測試數(shù)據(jù)中有： 0V－－>100%，8V——>86%，12V——>68%，16V——55％。
我就因?yàn)闆]有注意該特性在某電路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了慘痛的教訓(xùn)。
最后關(guān)于電容放置的位置，還得引用前輩們的口頭禪：“The rule of thumb is to place the capacitor as close as possible tothe IC
注釋
①MLCC 片式多層陶瓷電容
②NPO 具有溫度補(bǔ)償特性的單片陶瓷電容 填充介質(zhì)是由銣、釤和一些其它稀有氧化物
NPO電容器是電容量和介質(zhì)損耗最穩(wěn)定的電容器之一。在溫度從-55℃到+125℃時(shí)容量變化為0±30ppm/℃，電容量隨頻率的變化小于±0.3ΔC。NPO電容的漂移或滯后小于±0.05%，相對(duì)大于±2%的薄膜電容來說是可以忽略不計(jì)的。其典型的容量相對(duì)使用壽命的變化小于±0.1%。NPO電容器隨封裝形式不同其電容量和介質(zhì)損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的要比小封裝尺寸的頻率特性好。 下表給出了NPO電容器可選取的容量范圍。
封 裝
| DC=50V
| DC=100V
| 0805
| 0.5---1000pF
| 0.5---820pF
| 1206
| 0.5---1200pF
| 0.5---1800pF
| 1210
| 560---5600pF
| 560---2700pF
| 2225
| 1000pF---0.033μF
| 1000pF---0.018μF
|
NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容，以及高頻電路中的耦合電容。 封 裝
| DC=50V
| DC=100V
| 0805
| 330pF---0.056μF
| 330pF---0.012μF
| 1206
| 1000pF---0.15μF
| 1000pF---0.047μF
| 1210
| 1000pF---0.22μF
| 1000pF---0.1μF
| 2225
| 0.01μF---1μF
| 0.01μF---0.56μF
|
③X7R 溫度穩(wěn)定型的陶瓷電容器。當(dāng)溫度在-55℃到 125℃時(shí)其容量變化為15%，需要注意的是此時(shí)電容器容量變化是非線性的。
X7R電容器的容量在不同的電壓和頻率條件下是不同的，它也隨時(shí)間的變化而變化，大約每10年變化1%ΔC，表現(xiàn)為10年變化了約5%。
X7R電容器主要應(yīng)用于要求不高的工業(yè)應(yīng)用，而且當(dāng)電壓變化時(shí)其容量變化是可以接受的條件下。它的主要特點(diǎn)是在相同的體積下電容量可以做的比較大。下表給出了X7R電容器可選取的容量范圍。
④Z5U
Z5U電容器稱為”通用”陶瓷單片電容器。這里首先需要考慮的是使用溫度范圍，對(duì)于Z5U電容器主要的是它的小尺寸和低成本。對(duì)于上述三種陶瓷單片電容起來說在相同的體積下Z5U電容器有最大的電容量。但它的電容量受環(huán)境和工作條件影響較大，它的老化率最大可達(dá)每10年下降5%。
盡管它的容量不穩(wěn)定，由于它具有小體積、等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）低、良好的頻率響應(yīng)，使其具有廣泛的應(yīng)用范圍。尤其是在退耦電路的應(yīng)用中。下表給出了Z5U電容器的取值范圍。
封 裝
| DC=25V
| DC=50V
| 0805
| 0.01μF---0.12μF
| 0.01μF---0.1μF
| 1206
| 0.01μF---0.33μF
| 0.01μF---0.27μF
| 1210
| 0.01μF---0.68μF
| 0.01μF---0.47μF
| 2225
| 0.01μF---1μF
| 0.01μF---1μF
|
Z5U電容器的其他技術(shù)指標(biāo)如下:
工作溫度范圍 10℃ --- 85℃
溫度特性 22% ---- -56%
介質(zhì)損耗最大 4%
|
|
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
