系統噪聲已成為模擬和數字設備的關鍵問題。對高速接口和低功耗的要求導致設備對來自電源和信號線的干擾很敏感。電路中的去耦電容器或旁路電容器為 IC 提供高瞬態電流并減少電源紋波。此類電容器靠近 IC 的電源引腳放置。

音頻放大器等模擬電路在操作過程中會產生嗡嗡聲或噼啪聲，而微控制器等數字電路則表現出不穩定和不可預測的行為。這是因為輸入電壓不穩定。

如果毛刺、電壓尖峰和交流分量等變化保持在容差范圍內，任何設備都將準確運行。一個好的印刷電路板設計必須通過適當放置去耦和旁路電容器來解決系統內電源噪聲，從而確保平穩的輸入電壓。

為什么需要去耦？

去耦提供了一條從電源到地的低阻抗路徑。因此，選擇低電感但高值的電容器（低阻抗）非常重要。

電容耦合對電流返回路徑的影響。

下圖描繪了正極和負極電源。它顯示了高性能放大器的電源抑制（PSR）如何隨頻率在20 dB/decade左右而惡化。在直流電壓下約90 dB時，PSR在較高頻率下迅速下降，這意味著電源線上的多余能量與輸出耦合。這就是為什么必須避免高頻能量進入IC的原因。它可以通過合并電解電容器（用于低頻去耦）和陶瓷電容器（用于高頻去耦）來實現。。

高性能運算放大器的電源抑制與頻率。圖表來源：ADI

數據表中不一定指定電源抑制規范。但是您總能在數據表的應用部分找到推薦的電源去耦電路。通常應始終遵循這些建議，以確保設備正常運行。

芯片的電源靈敏度

IC 對電源波動的敏感度由電源抑制比 (PSRR) 或 PSR（以 dB 為單位）表示。PSRR 是輸出電壓的變化與電源電壓的變化之比。

什么是去耦電容？

去耦電容放置

去耦電容器是一種能夠以局部方式存儲能量的無源元件。由于其性質，充電和放電需要時間。它可以防止電壓的快速變化，通過提供適當的直流電源來保護系統或 IC。

去耦電容并聯在電源和負載/IC 之間。為了抑制每個 IC 的電壓干擾，它們必須放置在本地，即盡可能靠近 IC。所有配電網絡都有實際的阻抗和電感來防止電流的瞬時供應，去耦電容器控制電壓供應驟降和振鈴并確保電路電壓的穩定性。

什么是旁路電容？

旁路電容放置

旁路電容器用于通過將噪聲旁路到地來防止噪聲進入系統。它連接在電源電壓 (Vcc) 和接地 (GND) 引腳之間，以減少電源線上的電源噪聲和電壓尖峰。

去耦電容和旁路電容有什么區別？

去耦電容器存儲能量并將其耗散回電源軌以保持電流的平穩流動。旁路電容器提供交流信號返回路徑以在電源和接地軌之間切換。

去耦電容和旁路電容的區別。

考慮到它們的用途和功能，旁路和去耦電容器可以互換使用。為任何設備供電時，主要目標是提供一個相對于輸入電源接地極低阻抗的路徑。一些顯著的差異是：

• 旁路電容器用于為高頻噪聲信號提供低阻抗分流路徑。它們確保高頻噪聲在流入整個電路之前得到緩解，從而導致電路故障和電磁干擾問題。另一方面，去耦電容器用于穩定電壓變化。
• 對于低阻抗分流的功能，單個電解電容就足夠了，但為了穩定信號，需要兩種不同類型的電容。

旁路電容和去耦電容的區別

去耦電容的用途是什么？

去耦電容器用于隔離或去耦兩個電路。換句話說，它們將交流信號與直流信號分離，反之亦然。

• 在輸入電壓下降的情況下，去耦電容器為 IC 提供足夠的電源以維持電壓電平。
• 在電壓升高的情況下，去耦電容可以防止過電流流過IC，以保持電壓穩定。

什么類型的電容器用于去耦？

電解電容器

較大的電解電容器（1 至 100 μF）用于去耦低頻噪聲。這些電容器充當電荷庫來滿足電路的瞬時充電要求。此類電容器不應放置在距離 IC 超過 2 英寸的地方。由于所有電解電容器都是有極性的，因此它們不能承受超過 1 伏的反向偏壓而不損壞。它們具有相對較高的泄漏電流，這取決于設計、電氣尺寸和額定電壓與施加的電壓。盡管如此，泄漏電流不會顯著影響去耦。

陶瓷電容器

低電感表面貼裝陶瓷電容器 (0.01 μF – 0.1 μF) 用于去耦高頻電源噪聲。這些電容器直接連接到 IC 的電源引腳。

用于高頻去耦的低電感陶瓷電容器

陶瓷電容器體積小，損耗低。它們具有較寬的溫度耐受性、低 ESR/ESL、穩定性、可靠性，并且可以承受較寬的電壓范圍。X7R、Z5U 和 Y5V 電容器類型可提供高達幾 μF 的值，具有高介電常數和高達 200 V 的額定電壓。X7R 型陶瓷電容器是首選，因為它顯示出較小的電容變化作為直流偏置電壓的函數與 Z5U 和 Y5U 相比。

此外，還使用 NP0 (COG) 陶瓷電容器（0.1 μF 或更小），因為它們具有較低的介電常數配方和低電壓系數。

多層陶瓷 (MLCC) 表面貼裝電容器

由于其低電感設計，MLCC 用于 10MHz 或更高頻率的旁路和濾波。

為了更有效，所有去耦電容器必須直接連接到低阻抗接地層。建議使用短走線連接這些電容器或過孔以最小化串聯電感。

如何放置去耦電容器？

去耦電容器的放置至關重要，因為它會降低電源軌的阻抗。理想情況下，它應該最大化電容并最小化電阻和電感。像 IC 之類的組件依賴于它們的輸入電壓在運行時盡可能穩定。

• 去耦電容器應盡可能靠近 IC 放置，因為它通過濾除任何過多的噪聲來保護這些敏感芯片。它們離得越遠，它們的效率就越低。

PCB 走線上的有效去耦電容器放置。

在左圖中（如上圖所示），電源引腳和地的連接盡可能短。這是最有效的安排。在右圖中（如上圖），PCB 走線可能會形成環路而導致干擾問題。由于 PCB 走線的電感和電阻過大，這種安排的效果較差。

• 始終在電源和負載/IC 之間并聯連接去耦電容器。
• 將電容器與輸入和輸出信號走線串聯可消除輸入和輸出信號中的低頻瞬變。
• 將電容器與電阻器并聯可降低高頻 EMI。
• 當使用過孔到達電源層時，將電容器連接到組件引腳，然后連接到過孔以確保電流流過電源層。

去耦電容布局

• 去耦電容器對于隔離模擬和數字信號也很有效。它是通過在 AC 和數字 PCB 接地端之間連接一個電容器來實現的。
• 確保電源層和接地層連續且相鄰：放置靠近 IC 電源和接地引腳的電容器至關重要。它使接地層和電源層的電路路徑盡可能短。
• 相鄰電源和地平面的對稱放置：相鄰的電源和地平面應對稱放置。還建議盡量減少平面和去耦電容器之間的層數。

有關為 BGA 和電源總線放置去耦電容器的更多信息，請閱讀PCB 設計的去耦電容器放置指南.

如何選擇去耦電容的值？

電路中使用的電容器數量取決于電源和接地引腳的數量以及存在的 I/O 信號。根據信號帶寬或工作頻率選擇具有足夠高自諧振頻率的去耦電容器。

了解自諧振頻率：電容器在此頻率之前保持電容性，并在高于此頻率時開始表現為電感器。去耦電容器的阻抗在頻率 ω =1 / √LC 處達到最小阻抗。該頻率稱為去耦電容器的諧振頻率。

較低的電容和較低的電感產生較高的諧振頻率。通過選擇較小的表面貼裝組件可以獲得較高的自諧振頻率，因為通常較小的組件封裝具有較低的寄生電感。

低頻噪聲去耦電容值應介于 1 μF 至 100 μF 之間。高頻噪聲去耦電容應介于 0.01 μF 至 0.1 μF 之間。

• 低等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL)：由于電容器需要快速提供電流，因此請選擇 ESR 和 ESL 較低的電容器。
• 更小的封裝尺寸：緊湊型電容器的好處是可以減小回路尺寸，從而進一步降低電感。

數字PDN去耦電容的大小如何選擇？

去耦電容的大小是根據阻抗來評估的配電網絡 (PDN)以及開關IC所需的電荷。評估準確的電容器尺寸并正確放置它有助于減少 PDN 上的紋波和噪聲。

根據開關期間消耗的電流和 IC 電壓計算去耦電容器尺寸。

這里的：Trise是上升時間，V是 IC 電壓，ΔI 是消耗的電流。

筆記：如果信號帶寬小于去耦電容的自諧振頻率，則上述公式有效。信號帶寬由下式給出：（0.35/信號上升時間）。

模擬PDN去耦電容的大小如何選擇？

為模擬IC提供穩定電源時，去耦電容不斷充放電，為模擬IC工作提供穩定電源。

模擬 IC 的去耦電容器的大小由下式給出：

IC 汲取的電流是 IC 電壓和頻率的遞增函數。

其中：f 是頻率，V是 IC 電壓，I 是汲取的電流。

如何根據PDN阻抗選擇去耦電容的大小？

去耦電容及時提供所需的電荷，降低整個 PDN 的輸出阻抗。實際上，去耦電容器僅在特定頻率范圍內有效。實際去耦電容的阻抗隨著頻率的降低呈線性下降，隨著頻率的增加而增加。實際去耦電容器阻抗的這種增加是由于去耦電容器的寄生電感造成的。

還讀到，如何減少PCB布局中的寄生電容。

確定去耦電容器尺寸的最佳方法之一是基于目標 PDN 阻抗。

去耦電容的大小取決于所需的電壓紋波、目標 PDN 阻抗和目標 PDN 電壓。

其中：f 是頻率，V是 IC 電壓，Vripple是電壓紋波，ZPDN是目標 PDN 阻抗。

目標 PDN 阻抗和 PDN 紋波電壓是電容的函數，因此解決起來非常復雜。計算“C”需要多次迭代。上面的公式更準確，因為它可以結合去耦電容器的諧振頻率和由于寄生電容引起的諧振的影響。PCB布局.

在計算時ZPDN對于不同的 C 和 f 值，我們得出 C 的最佳值以獲得最低ZPDN適用于所有頻率范圍。

筆記：IC 數據表中始終提供要使用的去耦電容值。

另請閱讀我們的文章指定您的受控阻抗要求.

如何選擇旁路電容的值？

加入電路的電容器的電抗應小于并聯電阻的1/10。電流總是走最低電阻的路徑，所以如果你想將交流信號切換到地，電容應該有一個較低的電阻。要使用的旁路電容器的電容值為：

其中：f 是頻率，XC是電抗。“f”取決于電路板的工作頻率。

電容器是用途最廣泛的組件之一PCB組件，它們最重要的功能之一是解耦。事實上，您電路板的信號和電源完整性很可能取決于您放置去耦電容器和旁路電容器的效果如何。