旁路电容和去耦电容的作用

转自：经纬的BLOG   http://blog.sina.com.cn/cjw1982121

 

设计印制板时经常要在电路上加电容器来满足数字电路工作时要求的电源平稳和洁净度。电路中的电容可分为退耦电容、旁路电容和容纳电容三类。退耦电容用来滤 除高频器件在电源板上引起的辐射电流，为器件提供一个局域化的直流，还能减低印制电路中的电流冲击的峰值。旁路电容能消除高频辐射噪声。噪声能限制电路的 带宽，产主共模干扰。平滑或容纳电容是用来解决开关器件工作时电源电压会产生突降的问题。

设计中最重要的是确定电容量和接入电容的地点。电容器的自谐振频率是决定电容设计的关键参数。电容器有引出线，就会给电容器附加了固有的电感和电阻，考虑这些因素，实际的电容可看成由电阻、电感、电容组成的串联谐振电路。

因此，实际电容器都有自谐振频率，在自谐振频率以下，电容器呈电容性；高于自谐振频率时，电容器呈电感性，阻抗随频率增高而增大，使旁路作用大大下降。谐 振频率为应该选择谐振频率高的电容器。典型的陶瓷电容器的引线大约有6mm长，会引入15nH的电感，这种类型的电容器对应的自谐振频率列在下表中。

 

                             电容器的自谐振频率

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电容器的电容值（uF）          |    1    0.1    0.01    0.001

电容器的自谐振频率（MHz） |   2.5    5      15       50

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电源板和接地板之间构成的平板电容器也有自谐振频率，这一谐振频率如果与时钟频率如果与时钟频率谐振，就会使整个印制板成为一个电磁辐射器。这一谐振频率 可以达到200MHz～400MHz，采用20－H原则还可以使这个谐振频率提高2-3倍。采用一个大容量的电容器与一个下容量的电容器并联的方法可以有 效地改善自谐振频率特性，当大容量的电容器达到谐振点时，大电容的阻抗开始随频率增加而变大；小容量的电容器尚未达到谐振点，仍然随频率增加而变小并将对 旁路电流起主导作用。

退耦电容的电容量按式

计算，式中△I为瞬变电流、△V为逻辑器件工作允许的电源电压值的变化、△t为开关时间。在电源引线比较长时，瞬变电流引起较大的压降，此时就要加容纳电容以便维持器件要求的电压值。设计时，先计算允许的阻抗Zm，

Zm=△V/△I

然后，由线条电感Lw求出不超过Zm对应的频率fm=Zm/(2πLw)，当使用频率高于fm时，要加容纳电容Cb，通常Cb为10～100uF之间取值。

 Cb＝1／(2πfm Zm)

电容材料对温度很敏感，要选温度系数好的。还要选择等效串联电感和等效串联电阻小的电容器，一般要求等效串联电感值小于10nH，等效串联电阻小于 0.5Ω。在每两个LSI或VLSI元件处都要加平滑电容，电源入口处也要加入平滑电容。此外，I/O连接器、距电源输入连接器远的地方、元件密集处、时 钟发生电路附近都要加平滑电容器，平滑电容的计算与退耦电容的计算方法相同。