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工程師筆記:深究高速數(shù)字電路中的濾波電容

發(fā)布時間:2014-05-09 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】大家看見電源濾波電路上標(biāo)著100uF,10uF,100nF,10nF不同的容值的電容,但是肯定不知道這些參數(shù)是如何確定的?對不?工程師朋友都知道:數(shù)字電路要運行穩(wěn)定可靠,電源一定要”干凈“,并且能量補(bǔ)充一定要及時,也就是濾波去耦一定要好。很多時候在低速數(shù)字電路中很容易實現(xiàn),但是高數(shù)速數(shù)字系統(tǒng)呢?本文將為你講解。
 
我們在電源濾波電路上可以看到各種各樣的電容,100uF,10uF,100nF,10nF不同的容值,那么這些參數(shù)是如何確定的?不要告訴我是抄別人原理圖的,呵呵。
 
數(shù)字電路要運行穩(wěn)定可靠,電源一定要”干凈“,并且能量補(bǔ)充一定要及時,也就是濾波去耦一定要好。什么是濾波去耦,簡單的說就是在芯片不需要電流的時候存儲能量,在你需要電流的時候我又能及時的補(bǔ)充能量。不要跟我說這個職責(zé)不是DCDC、LDO的嗎,對,在低頻的時候它們可以搞定,但高速的數(shù)字系統(tǒng)就不一樣了。
 
先來看看電容,電容的作用簡單的說就是存儲電荷。我們都知道在電源中要加電容濾波,在每個芯片的電源腳放置一個0.1uF的電容去耦。等等,怎么我看到要些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的,有什么講究嗎。要搞懂這個道道就要了解電容的實際特性。理想的電容它只是一個電荷的存儲器,即C。而實際制造出來的電容卻不是那么簡單,分析電源完整性的時候我們常用的電容模型如下圖所示。
 
分析電源完整性
圖中ESR是電容的串聯(lián)等效電阻,ESL是電容的串聯(lián)等效電感,C才是真正的理想電容。ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的,沒法消除。那這兩個東西對電路有什么影響。ESR影響電源的紋波,ESL影響電容的濾波頻率特性。
 
我們知道電容的容抗Zc=1/ωC,電感的感抗Zl=ωL,( ω=2πf),實際電容的復(fù)阻抗為Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf L-1/j2πf C??梢姰?dāng)頻率很低的時候是電容起作用,而頻率高到一定的時候電感的作用就不可忽視了,再高的時候電感就起主導(dǎo)作用了。電容就失去濾波的作用了。所以記住,高頻的時候電容就不是單純的電容了。實際電容的濾波曲線如下圖所示。
 
實際電容的濾波曲線
[page]

上面說了電容的等效串聯(lián)電感是電容的制造工藝和材料決定的,實際的貼片陶瓷電容的ESL從零點幾nH到幾個nH,封裝越小ESL就越小。
 
從上面電容的濾波曲線上我們還看出并不是平坦的,它像一個’V’,也就是說有選頻特性,在時候我們希望它是越平越好(前級的板級濾波),而有時候希望它越越尖越好(濾波或陷波)。影響這個特性的是電容的品質(zhì)因素Q, Q=1/ωCESR,ESR越大,Q就越小,曲線就越平坦,反之ESR越小,Q就越大,曲線就越尖。通常鉭電容和鋁電解有比較小的ESL,而ESR大,所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍,非常適合前級的板級濾波。也就是在DCDC或者LDO的輸入級常常用較大容量的鉭電容來濾波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的電容來去耦,陶瓷電容有很低的ESR。
 
說了那么多,那到底我們在靠近芯片的管腳處放置0.1uF還是0.01uF,下面列出來給大家參考。
 
參考圖

所以,以后不要見到什么都放0.1uF的電容,有些高速系統(tǒng)中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。
 
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