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數(shù)字IC應(yīng)該使用什么尺寸的去耦電容器？
數(shù)字IC應(yīng)該使用什么尺寸的去耦電容器？
關(guān)于旁路和去耦電容器，這里有很多信息。這兩個組件對于維持電源完整性和信號完整性至關(guān)重要。當(dāng)您開始閱讀有關(guān)此主題的信息時，您會發(fā)現(xiàn)為數(shù)字IC調(diào)整去耦電容器尺寸的過程非常簡單。
旁路與去耦：有什么區(qū)別？
盡管通過閱讀一些PCB設(shè)計指南不會了解這一點，但旁路和去耦電容器并不涉及兩種不同類型的電容器。這兩個術(shù)語指的是電容器的功能，而不是電容器的設(shè)計或所用的材料。許多設(shè)計人員將兩個電容器及其功能互換使用。本質(zhì)上，任何給定的電容器都可以用作旁路或去耦電容器。
旁路電容器背后的意圖是通過將噪聲直接“旁路”到地面來防止噪聲從電源進入PCB系統(tǒng)。由于電容器還用作接地的高通濾波器，因此可以使用電容器將系統(tǒng)中的高頻噪聲直接傳遞到接地回路。實際上，直流電源輸出中存在的低電平噪聲永遠(yuǎn)不會進入系統(tǒng)。
將此與另一種使用電容器的電源完整性進行比較。當(dāng)放置在IC的電源和接地引腳上時，電容器執(zhí)行的功能與使用電源時相同，因此有時也稱為旁路電容器。實際上，它提供了與旁路相同的功能，即，它通過電容性阻抗提供了一條接地路徑。但是，它執(zhí)行的另一項功能非常重要，因此，該放置使電容器成為去耦電容器。當(dāng)一個邏輯IC切換時，它可以提高自身和附近其他IC的接地電位，這種現(xiàn)象也稱為接地反彈。將去耦電容器連接至IC的電源和接地引腳，可將其電勢與板上其他IC的電勢“去耦”。
盡管這兩個術(shù)語最初旨在引用不同的功能而不是不同類型的電容器，但是任何想要確保電路板上功率和信號完整性的設(shè)計人員都需要為其旁路或去耦電容器選擇合適的尺寸。某些用于不同組件的數(shù)據(jù)手冊會強調(diào)在組件的電源和接地引腳之間增加一個專用的去耦電容器（他們通常將其稱為旁路電容器）以達(dá)到信號完整性的目的。選擇正確的去耦電容器尺寸需要了解兩點：
電容器的實際電學(xué)行為以及如何在電路模型中對其進行描述
電容器的時域響應(yīng)及其在放電過程中如何傳遞電流
等效電容器型號
為了選擇合適的電容器尺寸，您需要檢查電容器的基本電路模型。盡管我們想認(rèn)為電容器的行為完全符合理論所指出的那樣，但實際上并非如此。因此，有一個經(jīng)驗的RLC模型可用來解釋任何電容器的行為。
用于電容建模的等效RLC電路
在此模型中，ESR和ESL分別是等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。C的值可以視為組件數(shù)據(jù)表中引用的電容。最后，R的值說明了形成電容器的電介質(zhì)的電導(dǎo)率。這說明了在電容器充電并從電路中移除后在任何電容器中都會發(fā)生的瞬態(tài)泄漏。該值通常足夠大，可以忽略。
在此模型中（忽略R），假設(shè)連接到電路兩端的負(fù)載為0歐姆，則值（ESR /（2 * ESL））是等效電路的阻尼常數(shù)。這決定了在完全充電/放電情況下電路對輸入電壓變化的響應(yīng)速度。您應(yīng)該檢查電容器的數(shù)據(jù)表，以便可以計算阻尼常數(shù)。
如果要斷開具有更快開關(guān)速度的數(shù)字電路的去耦，那么您將需要選擇一個具有等效阻尼常數(shù)的電容器，該電容器會嚴(yán)重阻尼或稍微過阻尼該電路，以抑制放電期間的振鈴。只要放電速率短于開關(guān)時間，那么去耦電容器將能夠快速補償電壓波動。
調(diào)整數(shù)字IC的總?cè)ヱ铍娙?span>
注意，以上關(guān)于等效模型中的放電速率的要點并未說明所需的電容。確定總?cè)ヱ铍娙荽笮〉囊环N方法是考慮需要傳遞給IC的最大電荷量，應(yīng)將電荷傳遞給IC的速度以及要補償?shù)碾妷翰▌拥拇笮 Ｓ捎诖蠖鄶?shù)負(fù)載都是電容性的，因此可以將到達(dá)負(fù)載的電流與信號電壓從OFF變?yōu)?span>ON的速率相關(guān)（反之亦然）：
請注意，您可以將類似的技術(shù)應(yīng)用于純電阻或電感負(fù)載。讓我們看一下具有多個開關(guān)輸出的數(shù)字IC上的容性負(fù)載。
示例：具有12個輸出的數(shù)字IC
展示如何將此公式用于容性負(fù)載的最佳方法是一個示例。假設(shè)您有一個具有12個輸出的數(shù)字IC，其中每個輸出信號為5 V，上升時間為6 ns。每個輸出驅(qū)動一個負(fù)載電容為50 pF的負(fù)載。如果將信號的上升時間近似為線性，則上式中的導(dǎo)數(shù)可寫為dV = 5 V，dt = 6 ns。因此，每個輸出所需的電流為：
示例IC的每個輸出電流
如果將全部12個輸出同時從高電平切換到低電平，則來自接地層的總電流涌入為500 mA。這種涌入會引起接地平面電勢的變化，從而導(dǎo)致信號電勢的變化，并且電容器應(yīng)補償信號電勢的這種變化。如果我們假設(shè)ON狀態(tài)的閾值為4.5 V，則為了防止誤碼，需要補償?shù)碾妷航禐?span>0.5V。此外，必須在6 ns之內(nèi)進行補償。因此，最小去耦電容為：
示例去耦電容器的最小電容
在這里，您至少應(yīng)使用6 nF電容器在6 ns內(nèi)補償最大0.5 V電壓。請注意，在本示例中，一些準(zhǔn)則會建議并聯(lián)使用兩個3 nF電容器，因為這會將ESR降低2倍，但也將ESL降低2倍，因此對阻尼的影響為零。如果電容器的響應(yīng)衰減不足，則可以選擇使用更大的電容器，因為這樣會使響應(yīng)更接近臨界阻尼或過度衰減的情況。但是，并聯(lián)使用兩個電容器有助于使PDN網(wǎng)絡(luò)的阻抗譜在電容器的諧振頻率附近變平。
可以將類似的方法應(yīng)用于電源總線上的去耦電容器，盡管您需要考慮紋波電壓（或開關(guān)電源的開關(guān)速度），輸出中的整體噪聲譜以及PDN阻抗等因素。它還有助于了解電感在PDN中的作用，無論是寄生電感還是故意放置的組件。
隨著電路板工作在更低的水平，更高的數(shù)據(jù)速率和更嚴(yán)格的噪聲要求下，每個設(shè)計人員都應(yīng)擁有所需的工具，以選擇并放置PCB的旁路和去耦電容器。