电子产品设计之五--旁路和耦合
旁路、耦合电容

什么是退耦?退耦(Decouple), 最早用于多级电路中,为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的而采取的措施。在电源中退耦表示,当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时,需 要瞬时从电源在线抽取较大电流,该瞬时的大电流可能导致电源在线电压的降低,从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰,需要在芯片附近设置一个 储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。
选择旁路电容还要考虑电容的介质,一个比较保险的方法就是多并几个电容。
什么是旁路?旁路(Bypass),是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。电源中高频干扰是典型的无用成分,需要将其在进入目标芯片之前提前干掉,一般我们采用电容到达该目的。用于该目的的电容就是所谓的旁路电容(Bypass Capacitor),它利用了电容的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的升高,阻抗降低,这个地球人都知道),可以看出旁路电容主要针对高频干扰(高是相对的,一般认为20MHz以上为高频干扰,20MHz以下为低频纹波)。
在电源电路中,旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰(自我保护);退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰(家丑说是不准确的,高速芯片内部开关操作可能高达上GHz,由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围,为此目的的退耦电容同样需要有很好的高频特性。所以我们在一般的讨论中并不刻意区分退耦和旁路,认为都是为了滤除噪声,而不管该噪声的来源
去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。
旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10u或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定。
旁路电容和耦合电容的区别

旁路电容和耦合电容从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载.如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候, 电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作.这就是耦合.去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰.旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径.高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10u或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定.旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源.这应该是他们的本质区别.去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声.数字电路中典型的去耦电容值是 0.1μF.这个电容的分布电感的典型值是5μH.0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说,对于 10MHz以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz以上的噪声几乎不起作用.1μF、10μF的电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频噪声的效果要好一些.每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF左右.最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感.要使用钽电容或聚碳酸酯电容.去耦电容的选用并不严格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取 0.01μF.分布电容是指由非形态电容形成的一种分布参数.一般是指在印制板或其他形态的电路形式,在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容.这种电容的容量很小,但可能对电路形成一定的影响.在对印制板进行设计时一定要充分考虑这种影响,尤其是在工作频率很高的时候.也成为寄生电容,制造时一定会产生, 只是大小的问题.布高速PCB时,过孔可以减少板层电容,但会增加电感.分布电感是指在频率提高时,因导体自感而造成的阻抗增加.电容器选用及使用注意事项:1,一般在低频耦合或旁路,电气特性要求较低时,可选用纸介、涤纶电容器;在高频高压电路中,应选用云母电容器或瓷介电容器;在电源滤波和退耦电路中,可选用电解电容器.2,在振荡电路、延时电路、音调电路中,电容器容量应尽可能与计算值一致.在各种滤波及网(选频网络),电容器容量要求精确;在退耦电路、低频耦合电路中,对同两级精度的要求不太严格.3,电容器额定电压应高于实际工作电压,并要有足够的余地,一般选用耐压值为实际工作电压两倍以上的电容器.4,优先选用绝缘电阻高,损耗小的电容器,还要注意使用环境.我们知道,一般我们所用的电容最重要的一点就是滤波和旁路,我在设计中也正是这么使用的.对于高频杂波,一般我的经验是不要过大的电容,因为我个人认为,过大的电容虽然对于低频的杂波过滤效果也许比较好,但是对于高频的杂波,由于其谐振频率的下降,使得对于高频杂波的过滤效果不很理想.所以电容的选择不是容量越大越好.在用电容抑制电磁骚扰时,最容易忽视的问题就是电容引线对滤波效果的影响.电容器的容抗与频率成反比,正是利用这一特性,将电容并联在信号线与地线之间起到对高频噪声的旁路作用.然而,在实际工程中,很多人发现这种方法并不能起到预期滤除噪声的效果,面对顽固的电磁噪声束手无策.出现这种情况的一个原因是忽略了电容引线对旁路效果的影响. 实际电容器的电路模型是由等效电感(ESL)、电容和等效电阻(ESR)构成的串联网络. 理想电容的阻抗是随着频率的升高降低,而实际电容的阻抗是图1所示的网络的阻抗特性,在频率较低的时候,呈现电容特性,即阻抗随频率的增加而降低,在某一点发生谐振,在这点电容的阻抗等于等效串联电阻ESR.在谐振点以上,由于ESL的作用,电容阻抗随着频率的升高而增加,这是电容呈现电感的阻抗特性.在谐振点以上,由于电容的阻抗增加,因此对高频噪声的旁路作用减弱,甚至消失. 电容的谐振频率由ESL和C共同决定,电容值或电感值越大,则谐振频率越低,也就是电容的高频滤波效果越差.ESL除了与电容器的种类有关外,电容的引线长度是一个十分重要的参数,引线越长,则电感越大,电容的谐振频率越低. 因此在实际工程中,要使电容器的引线尽量短.根据LC电路串联谐振的原理,谐振点不仅与电感有关,还与电容值有关,电容越大,谐振点越低.许多人认为电容器的容值越大,滤波效果越好,这是一种误解.电容越大对低频干扰的旁路效果虽然好,但是由于电容在较低的频率发生了谐振,阻抗开始随频率的升高而增加,因此对高频噪声的旁路效果变差.表1是不同容量瓷片电容器的自谐振频率,电容的引线长度是1.6mm(你使用的电容的引线有这么短吗?).表1电容值自谐振频率(MHz) 电容值自谐振频率(MHz)1m F 1.7 820 pF 38.50.1m F 4 680 pF 42.50.01m F 12.6 560 pF 453300pF 19.3 470 pF 491800 pF 25.5 390 pF 541100pF 33 330 pF 60 尽管从滤除高频噪声的角度看,电容的谐振是不希望的,但是电容的谐振并不是总是有害的.当要滤除的噪声频率确定时,可以通过调整电容的容量,使谐振点刚好落在骚扰频率上.去耦和旁路都可以看作滤波.正如ppxp所说,去耦电容相当于电池,避免由于电流的突变而使电压下降,相当于滤纹波.具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算.去耦电容一般都很大,对更高频率的噪声,基本无效.旁路电容就是针对高频来的,也就是利用了电容的频率阻抗特性.电容一般都可以看成一个RLC串联模型.在某个频率,会发生谐振,此时电容的阻抗就等于其ESR.如果看电容的频率阻抗曲线图,就会发现一般都是一个 V形的曲线.具体曲线与电容的介质有关,所以选择旁路电容还要考虑电容的介质,一个比较保险的方法就是多并几个电容.一般来说,容量为uf级的电容,象电解电容或钽电容,他的电感较大,谐振频率较小,对低频信号通过较好,而对高频信号,表现出较强的电感性,阻抗较大,同时,大电容还可以起到局部电荷池的作用,可以减少局部的干扰通过电源耦合出去;容量为0.001~0.1uf的电容,一般为陶瓷电容或云母电容, 电感小,谐振频率高,对高频信号的阻抗较小,可以为高频干扰信号提供一条旁路,减少外界对该局部的耦合干扰,在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了.对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling,也称退耦)电容是把输出信号的干扰作为滤除对象.在供电电源和地之间也经常连接去耦电容,它有三个方面的作用:一是作为本集成电路的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声,切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰.我来总结一下,旁路实际上就是给高频干扰提供一个到地的能量释放途径,不同的容值可以针对不同的频率干扰.所以一般旁路时常用一个大贴片加上一个小贴片并联使用.对于相同容量的电容的Q值我认为会影响旁路时高频干扰释放路径的阻抗,直接影响旁路的效果,对于旁路来说,希望在旁路作用时,电容的等效阻抗越小越好,这样更利于能量的排泄.数字电路输出信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流,在供电线和电源内阻上产生较大的压降,使供电电压产生跳变,产生阻抗噪声(亦称开关噪声),形成干扰源.一、冲击电流的产生:(1)输出级控制正负逻辑输出的管子短时间同时导通,产生瞬态尖峰电流(2)受负载电容影响,输出逻辑由“0”转换至“1”时,由于对负载电容的充电而产生瞬态尖峰电流. 瞬态尖峰电流可达50ma,动作时间大约几ns至几十ns.二、降低冲击电流影响的措施:(1)降低供电电源内阻和供电线阻抗(2)匹配去耦电容三、何为去耦电容在ic(或电路)电源线端和地线端加接的电容称为去耦电容.四、去耦电容如何取值去耦电容取值一般为0.01~0.1uf,频率越高,去耦电容值越小.五、去耦电容的种类(1)独石 (2)玻璃釉 (3)瓷片 (4)钽六、去耦电容的放置去耦电容应放置于电源入口处,连线应尽可能短.旁路电容不是理论概念,而是一个经常使用的实用方法,在50 -- 60年代,这个词也就有它特有的含义,现在已不多用.电子管或者晶体管是需要偏置的,就是决定工作点的直流供电条件.例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压,为了在一个直流电源下工作,就在阴极对地串接一个电阻,利用板流形成阴极的对地正电位,而栅极直流接地,这种偏置技术叫做“自偏”,但是对(交流)信号而言,这同时又是一个负反馈,为了消除这个影响,就在这个电阻上并联一个足够大的点容,这就叫旁路电容.后来也有的资料把它引申使用于类似情况.旁路是把前级或电源携带的高频杂波或信号滤除;去藕是为保正输出端的稳定输出(主要是针对器件的工作)而设的“小水塘”,在其他大电流工作时保证电源的波动范围不会影响该电路的工作;补充一点就是所谓的藕合:是在前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的元件有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播.去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地.在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了.。
旁路和退耦

耦合电容的作用是将交流信号从前一级传到下一级。为了不使后一级的工作点不受前一级的影响,就必须在直流方面把前一级和后一级分开。同时,又能使交流信号顺利的从前一级传给后一级,电容能传递交流信号和隔断直流,使前后级的工作点互不牵连。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10uF或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动 电流的变化大小来确定。
最后关于电容放置的位置,还得引用前辈们的口头禅:“The rule of thumb is to place the capacitor as close as possible to the IC
去耦:去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件 供局部化的DC电压源,它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。
两个常用的简单概念。
什么是旁路?旁路(Bypass),是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。电源中高频干扰是典型的无用成分,需要将其在进入目标芯片之前提前干掉,一般我们采用电容到达该目的。用于该目的的电容就是所谓的旁路电容(Bypass Capacitor),它利用了电容的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的升高,阻抗降低),可以看出旁路电容主要针对高频干扰(高是相对的,一般认为20MHz以上为高频干扰,20MHz以下为低频纹波)。
电容耦合的作用是将交流信号从前一级传到下一级。当然,耦合的方法还有直接耦合和变压器耦合的方法。直接耦合效率最高,信号又不失真,但是,前后两级的工作点的调整复杂,相互牵连。为了不使后一级的工作点不受前一级的影响,就必须在直流方面把前一级和后一级分开。同时,又能使交流信号顺利的从前一级传给后一级,同时能完成这一任务的方法就是采用电容传输或变压器传输来实现。它们都能传递交流信号和隔断直流,使前后级的工作点互不牵连。但不同的是,用电容传输时,信号的相位要延迟一些,用变压器传输时,信号的高频成份要损失一些。一般情况下,小信号传输时,常用电容作为耦合元件,大信号或强信号的传输,防止电源携带的噪声对电路构成干扰。
旁路和解耦

所谓电容,就是容纳和释放电荷的电子元器件。
电容的基本工作原理就是充电放电,当然还有整流、振荡以及其它的作用。
另外电容的结构非常简单,主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成。
作为无源元件之一的电容,其作用不外乎以下几种:1、应用于电源电路,实现旁路、去藕、滤波和储能的作用1)旁路旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。
就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。
为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。
这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。
地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。
2)去藕去藕,又称解藕。
从电路来说,总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。
如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。
这就是耦合。
去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。
将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。
旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10uF或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定。
总的来说旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。
这应该是他们的本质区别。
3)滤波从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。
但实际上超过1uF的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大。
有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容,这时大电容通低频,小电容通高频。
去耦电容和旁路电容

去耦电容和旁路电容从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。
如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。
这就是耦合。
去藕电容去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。
旁路电容旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄放途径。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是 0.1u ,0.01u 等,而去耦合电容一般比较大,是10u 或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定。
旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。
这应该是他们的本质区别。
去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。
数字电路中典型的去耦电容值是 0.1μF 。
这个电容的分布电感的典型值是5μH 。
0.1μF 的去耦电容有5μH 的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz 左右,也就是说,对于 10MHz 以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz 以上的噪声几乎不起作用。
1μF 、10μF 的电容,并行共振频率在20MHz 以上,去除高频噪声的效果要好一些。
每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF 左右。
最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。
要使用钽电容或聚碳酸酯电容。
去耦电容的选用并不严格,可按C=1/F ,即10MHz 取0.1μF ,100MHz 取 0.01μF 。
分布电容分布电容是指由非形态电容形成的一种分布参数。
耦合电容的作用是什么以及滤波、旁路电容的作用

耦合电容的作用是什么以及滤波、旁路电容的作用电容耦合的作用是将交流信号从前一级传到下一级。
当然,耦合的方法还有直接耦合和变压器耦合的方法。
直接耦合效率最高,信号又不失真,但是,前后两级的工作点的调整复杂,相互牵连。
为了不使后一级的工作点不受前一级的影响,就必须在直流方面把前一级和后一级分开。
同时,又能使交流信号顺利的从前一级传给后一级,同时能完成这一任务的方法就是采用电容传输或变压器传输来实现。
它们都能传递交流信号和隔断直流,使前后级的工作点互不牵连。
但不同的是,用电容传输时,信号的相位要延迟一些,用变压器传输时,信号的高频成份要损失一些。
一般情况下,小信号传输时,常用电容作为耦合元件,大信号或强信号的传输,常用变压器作耦合元件。
滤波电容、去耦电容、旁路电容作用滤波电容用在电源整流电路中,用来滤除交流成分。
使输出的直流更平滑。
去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方,用来消除自激,使放大器稳定工作。
旁路电容用在有电阻连接时,接在电阻两端使交流信号顺利通过。
1.关于去耦电容蓄能作用的理解1)去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰,干扰的进入方式是通过电磁辐射。
而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。
你可以把总电源看作密云水库,我们大楼内的家家户户都需要供水,这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,等水过来,我们已经渴的不行了。
实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。
如果微观来看,高频器件在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,而器件VCC到总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,阻抗Z=i*wL+R,线路的电感影响也会非常大,会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。
而去耦电容可以弥补此不足。
这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一(在vcc引脚上通常并联一个去藕电容,这样交流分量就从这个电容接地。
)2)有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。
旁路电容和去耦电容基础知识

旁路电容和去耦电容基础知识
Part 1 旁路电容和去耦电容基础知识
“旁路电容”和“去耦电容”
今天在看CAN总线资料时突然看到can原理图TJA1050 CAN收发器电源管脚外接电源时节了一个电容到地,突然想起昨天同事说布线时电源要先连接电容再接到芯片电源管脚那时不知所云,但是今天又遇到所以便开始了我的“瞎琢磨”....
这个电容到底有什么用呢?
为什么用的是0.1uf 大小的电容,这个值有没有要求?
一查百度,发现他叫“旁路电容”,如果放在另外的位置它叫“去耦电容”,神奇呀!
下面我们来说是“旁路电容”和“去耦电容”:(有点抄百度的节奏)
一、定义和区别
旁路(bypass)电容:是把输入信号中的高频成分作为滤除对象;
去耦(decoupling)电容:也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。
去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10u或者更大。
二、作用
去耦电容主要有2个作用:(1)去除高频信号干扰;(2)蓄能作用;(而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位)
高频器件在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,而器件VCC到总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,阻抗Z=i*wL+R,线路的电感影响也会非常大,会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。
而去耦电容可以弥补此不足。
这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一(在vcc引脚上通。
旁路电容和去耦电容

############################################# #####什么是去耦电容?有什么用?一般般连接电源和地,而且是紧紧靠近电路的电源接入点,是用于滤除该部分电路因内部器件频繁开关对外部产生的传导干扰;特别数字电路,几乎所有的器件都处在高频的时序电平切换状态,于是对电源的产生频率很高的忽高忽低的电流需求,这样电流就形成了传导的脉冲干扰,对其他数字器件可能产生误动作,严重影响电路的正常工作,所以一般的数字IC,在电源的引脚旁,一般都有个0.1uF的去耦电容。
############################################# #####滤波电容用在电源整流电路中,用来滤除交流成分。
使输出的直流更平滑。
去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方,用来消除自激,使放大器稳定工作。
旁路电容用在有电阻连接时,接在电阻两端使交流信号顺利通过。
1.关于去耦电容蓄能作用的理解1)去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰,干扰的进入方式是通过电磁辐射。
而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。
你可以把总电源看作密云水库,我们大楼内的家家户户都需要供水,这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,等水过来,我们已经渴的不行了。
实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。
如果微观来看,高频器件在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,而器件VCC到总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,阻抗Z =i*wL+R,线路的电感影响也会非常大,会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。
而去耦电容可以弥补此不足。
这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一(在vcc引脚上通常并联一个去藕电容,这样交流分量就从这个电容接地。
)。
2)有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。
去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。
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Concepts
Bypassing and decoupling refers to preventing energy transference from one circuit to another in addition to enhancing the quality of the power distribution system. Three circuit areas are of primary concern: power and ground planes, components, and internal power connections. Decoupling is a means of overcoming physical and time constraints caused by digital circuitry switching logic states. Digital logic usually involves two possible states, “0” or “1”. The setting and detection of these states is achieved with switches internal to the component that determines whether the device is to be at logic LOW or HIGH. There is a finite time period for the device to make this determination. Within this window, a margin of protection (i.e., noise margin) is provided to guarantee against false triggering. Moving the logic state near the trigger level creates a degree of uncertainty. If we add high-frequency noise, the degree of uncertainty increases and false triggering may occur. Decoupling is also required to provide sufficient dynamic voltage and current for proper operation of components during clock or data transitions when all component signal pins switch simultaneously under maximum capacitive load. Decoupling is accomplished by ensuring a low-impedance power source is present in both circuits traces and power planes. Because decoupling capacitors have an increasingly low impedance at high frequencies up to the point of self-resonance, high-frequency noise is effectively diverted from the signal traces, while the low-frequency RF energy remains relatively unaffected. Optimal implementation is achieved bulk, bypass and decoupling capacitors. All capacitor values must be calculated for a specific function and selected having proper dielectric material.
* * * *
Noise: PART 5: Bypassing and Decoupling
Teuvo Suntio
Professor of Applied Electronics at University of Oulu
Suntio©
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Non-ideal capacitor
An equivalent circuit of a capacitor is shown in Fig. 1. The parallel resistor Rp is not affecting the behavior of a capacitor used as a single element or in parallel with other capacitors, and is, therefore, omitted (i.e., Rp = ∞). It should be considered when a capacitor is used in series e.g. in high-voltage applications. The impedance |Z | can be, therefore, presented as follows.
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The impedance Z exhibits series resonance. At this self-resonant point fo, the capacitive and inductive portion of the impedance are equal, from which it follows that 1
Ls
Rs
C
Rp
Fig. 1. Equivalent circuit
Z = Rs2 + (2π fLs −
where
Z = impedance (Ω)
1 2 ) 2π fC
Rs = Equivalent Series Resistance – ESR (Ω) Ls = Equivalent Series Inductance – ESL (H) C = capacitance (F) f = frequency (Hz)
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Concepts
Three common uses of capacitors follow. Decoupling: Removes RF energy injected into the power distribution network from high-frequency components consuming power at the speed the device is switching at. Decoupling capacitors also provides a localized source of DC power for devices and components, and is particularly useful in reducing peak current surges propagated across the board. Bypassing: Diverts unwanted common-mode RF energy from components or cables. This is essential in creating a AC shunt to remove undesired energy from entering susceptible areas in addition to providing other functions of filtering. Bulk: Used to maintain constant DC voltage and current to components when all signal pins switch simultaneously under maximum capacitive load. It also prevents power dropout due to dI/dt current surges generated by components. An ideal capacitor has no losses in its conductive plates and dielectric. An ideal capacitor does not exist, but inductance and resistance is always present due to physical structure and connection to other circuitry.
2.3.2001 TS © RZ min = Rs
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Planar capacitor
For an ideal planar capacitor where current uniformly enters from one side and exits from from an other side, inductance will be zero. For those cases, Z will approach Rs at high frequencies and will not exhibit an inherent resonance, which is exactly what a power and ground plane structure within a PCB does. This difference is best described as a bode diagram of Z (Fig. 2).