旁路电容对于运放的作用

用某个哲学家的一句话，来形容旁路电容真的很合适，“人们总是对挂在嘴边的东西最为无知”。

最近重翻资料，又多了一些运放电源引脚必须放置电容的理解。之前也整理过两次关于旁路电容的笔记，但是随着工作经验的积累，对它总是会有新的体会，所以今天再整理一次，希望也是最后一次，因为这个知识点真的很重要，毕竟有哪个电路板的芯片电源引脚附近是没有电容的呢？

本文重点整理旁路电容，不涉及去耦电容。一般噪声敏感器件（比如运放等）电源引脚放置的都叫作旁路电容，噪声源器件（比如数字芯片、电源芯片等）电源引脚放置的叫去耦电容。简单记忆就是，去耦电容是不让自己影响到别人，旁路电容是为了不让别人影响到我。

不过实际工作中，不必太纠结这两个概念的区分，一律把芯片电源引脚附近的电容称为旁路电容也没什么不可，因为这样更加实用。比如，对于高速时钟芯片，它既是噪声源，同时又对噪声非常敏感，一般都会用LDO供电，那我们该把在它电源引脚放置的电容叫作什么呢？

1 运放的旁路电容怎样放置最好？

几乎每个运放说明书里，厂家都会对运放旁路电容如何放置进行说明，参见图1.1和图1.2，表1.1对此做了总结。

表1.1 如何正确的放置旁路电容

序号	注意点	说明
1	小封装小容值电容，靠近运放电源引脚放置，越近越好。	小封装小容值电容ESL小，滤除高频噪声，提供瞬态电流
2	大封装大容值电容，可以距离运放远一些。如果电路板上有多个运放电路，还可以每两个运放放一个10uF的钽电容。	滤除低频噪声等
3	电源走线先经过电容，而后再达到运放电源引脚	就像戴口罩，脏空气先要经过口罩再进入鼻腔，口罩才有意义
4	对于双电源运放，Vcc和Vee引脚附近都要放置电容，对于单电源，GND引脚不需要。	/
5	旁路电容的接地端要最小路径到GND层，一般都会打过孔。	减小ESL

图1.1 运放旁路电容的放置 

图1.2 运放旁路电容的放置说明

2 旁路电容对于运放的四个作用

2.1 ESD保护

这是最近学到的又一个运放放置旁路电容的原因，即可以提供ESD保护。图2.1给出了一种运放保护电路的一种最基本的形式，非常值得收藏下来。运放输入端一般都会有保护电路，通常是钳位二极管，参见图2.2，我们都知道静电就是一个脉冲电压，当它出现在输入端，如果运放电源引脚附近有旁路电容，脉冲电流可以直接通过电容直接泄放到低阻抗的GND，可以起到ESD保护作用。如果没有旁路电容，或者放置的不好（ESL高了），脉冲电流可以不会那么容易泄放，路径不会那么直接……当然一般这也不会出现问题，参见图2.1，PCB走线也会有电感电容。

图2.1 运放保护电路的一种最基本的形式

图2.2 运放的输入端保护电路

2.2 避免运放震荡

其实这一点我也理解的不好，让我们先知道有这条吧。某个老外写了一本光电设计的书，里面特别提到了这点。它是用波特图解释的，在此之前，我们需要复习一下PSRR的知识点。

运放的PSRR可以理解成，电源的波动折算到同相输入端，参见图2.3，所以噪声增益越大被放大的倍数也就越大。PSRR随着频率增加而降低，正负电源的PSRR也不相等，通常负电源PSRR更大。那么我们在图2.4可以看到，PSRR类似AOL曲线，有一个pole，极点过后以-20dB/dec滚降，如果电源引脚附近没有电容，或者容值不够，那么由于ESL，很可能在0dB之前就出现了另一个pole，这可能会导致震荡。

当然这个解释不太直观，可能如果想要直观理解不加电容，运放会震荡，可能需要了解一些它的内部结构，比如哪条回路会出现正反馈。在一些文档中都会反复提到，运放的设计是假设了电源是低阻抗、干净的。 

图2.3 Vpsrr等参数一般都折算到同相输入端

图2.4 PSRR随着频率增加而降低

2.3 提供瞬态电流

参见图2.5。运放输出脉冲波形，就需要瞬态电流，如果电源与运放之间未放置旁路电容，中间的ESL会有很大的压差，V=L*di/dt。这时电容充当电荷桶的作用。当然，布局时候一定要注意尽量减小ESL。

 图2.5 旁路电容如何放置以及它的两个作用

2.4 滤波

滤波很容易理解，参见图2.6。

3 总结

虽然给运放设置旁路电容的原因不止一两种，有些甚至很难理解，幸运的是，电气方面的问题都是相互关联的，其指向大致相同。正确的旁路电容布局，不仅会滤波效果好，提供瞬态电流能力强，减小震荡风险，还会增强ESD保护。想起了《安娜卡列尼娜》小说的开头，“幸福的家庭都是相似的，不幸的家庭会各有各的不幸”。

当然很多人因为各种限制如电路板尺寸等，并没有严格按照厂家规格书建议去布局旁路电容，也没有出现过任何问题，但稍微谨慎一点可能会更好，也不费事。