高速PCB中旁路电容的分析
透彻详解（3）旁路电容100nF_0.1uF的由来计算
透彻详解（3）旁路电容100nF_0.1uF的由来计算前⼀节我们已经详细解释了旁路电容在数字电路系统中所起的基本且重要作⽤，即储能与为⾼频噪声电流提供低阻抗路径，尽管还并未给旁路电容的这些功能概括⼀个“⾼⼤上”的名字，然⽽旁路电容所起的终极作⽤就是为了电源完整性（Power Integrity, PI），它与信号完整性（Signal Integrity, SI）均为⾼速数字PCB设计中的重要组成部分，后续有机会我们将会进⾏详细讲解。
事实上，旁路电容的这两个基本功能在某种意义上来讲是完全统⼀的：你可以认为旁路电容的储能为⾼频开关切换（充电）提供瞬间电荷，从⽽避免开关产⽣的⾼频噪声向距离芯⽚更远的⽅向扩散，因为开关切换需要的能量已经在靠近芯⽚的旁路电容中获取到了，你也可以认为旁路电容提供了⾼频噪声电流的低阻抗路径，从⽽避免了⾼频开关时需要向更远的电源索取瞬间电荷能量。
有⼀定经验的⼯程师都会发现：旁路电容的容值⼤多数为0.1uF（100nF），这也是数字电路中最常见的，如下图所⽰为FPGA芯⽚的旁路电容：那这个值是怎么来的呢？这⼀节我们就来讨论⼀下这个问题。
前⾯已经提到过，实际的电容器都有⾃谐振频率，考虑到这个因素，作为数字电路旁路电容的容量⼀般不超过 1uF，当然，容量太⼩也不⾏，因为储存的电荷⽆法满⾜开关切换时瞬间要求的电荷，那旁路电容的容量到底应该⾄少需要多⼤呢？我们⽤最简单的反相器逻辑芯⽚（74HC04）实例计算⼀下就知道了。
实际芯⽚的每个逻辑门基本结构如下图所⽰（以下均来⾃Philips 74HC04数据⼿册）⽽每个CMOS反相器的基本结构如下图所⽰（具体参考⽂章【逻辑门（1）】）：每个逻辑⾮门（Gate）由三个反相器串联组成，如下图所⽰（芯⽚为什么会这样设计可参考⽂章“逻辑门”）：上图中，C I表⽰芯⽚信号引脚的输⼊电容（Input capacitance），C L表⽰输出负载电容（Output Load capacitance）。
PCB制版中电容的选择技巧
PCB制版中电容的选择技巧印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。
一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF，一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压的作用。
滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波频率，可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件，根据具体的需要选择。
至于个数就不一定了，看你的具体需要了，多加一两个也挺好的，暂时没用的可以先不贴，根据实际的调试情况再选择容值。
如果你PCB上主要工作频率比较低的话，加两个电容就可以了，一个虑除纹波，一个虑除高频信号。
如果会出现比较大的瞬时电流，建议再加一个比较大的钽电容。
其实滤波应该也包含两个方面，也就是各位所说的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。
原理我就不说了，实用点的，一般数字电路去耦0.1uF即可，用于10M 以下；20M以上用1到10个uF，去除高频噪声好些，大概按C=1/f。
旁路一般就比较的小了，一般根据谐振频率一般为0.1或0.01uF。
说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小.。
在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。
而实际情况中，往往电容的作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。
本文里，我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。
去耦电容、旁路电容、滤波电容的选择和区别
区别去耦电容去除在期间切换时从⾼高配到配电⽹网中的RF能量量储能作⽤用，供局部化的直流电源,减少跨板浪涌电流在VCC 引脚通常并联⼀一个去耦电容，电容同交隔直将交流分量量从这个电容接地有源器器件在开关时产⽣生的⾼高频开关噪声江燕电源线传播，去耦电容就是提供⼀一个局部的直流给有源器器件，减少开关噪声在板上的传播并且能将噪声引导到地。
如果主要是为了了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容;旁路路电容从元件或电缆中转移出不不想要的共模 RF 能量量。
这主要是通过产⽣生 AC 旁路路消除⽆无意的能量量进⼊入敏敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。
在电路路中，如果电容起的主要作⽤用是给交流信号提供低阻抗的通路路，就称为旁路路电容;电⼦子电路路中，去耦电容和旁路路电容都是起到抗⼲干扰的作⽤用，电容所处的位置不不同，称呼就不不⼀一样了了。
对于同⼀一个电路路来说，旁路路(bypass)电容是把输⼊入信号中的⾼高频噪声作为滤除对象，把前级携带的⾼高频杂波滤除，⽽而去耦 (decoupling)电容也称退耦电容，是把输出信号的⼲干扰作为滤除对象。
滤波电容选择经过整流桥以后的是脉动直流，波动⽅方位很⼤大，后⾯面⼀一般⽤用⼤大⼩小两个电容⼤大电容⽤用来稳定输出，因为电容两端电压不不能突变，可以使输出平滑，⼩小电容⽤用来滤除⾼高频⼲干扰，使输出电压纯净，电容越⼩小，谐振频率越⾼高，可滤除的⼲干扰频率越⾼高容量量的选择⼤大电容,负载越重，吸收电流的能⼒力力越强，这个⼤大电容的容量量就要越⼤大⼩小电容，凭经验，⼀一般104 即可1、电容对地滤波，需要⼀一个较⼩小的电容并联对地，对⾼高频信号提供了了⼀一个对地通路路。
2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
3、理理论上说电源滤波⽤用电容越⼤大越好，⼀一般⼤大电容滤低频波,⼩小电容滤⾼高频波。
4、可靠的做法是将⼀一⼤大⼀一⼩小两个电容并联,⼀一般要求相差两个数量量级以上,以获得更更⼤大的滤波频段.滤波电容电源和地直接连接去耦电容1.为本集成电路路蓄能电容2.滤除该期间产⽣生的⾼高频噪声，切断其通过供电回路路进⾏行行传播的通路路3.防⽌止电源携带的噪声对电路路构成⼲干扰滤波电容的选⽤用原则在电源设计中,滤波电容的选取原则是: C≥2.5T/R其中: C 为滤波电容,单位为UF; T 为频率, 单位为Hz,R 为负载电阻,单位为Ω当然,这只是⼀一般的选⽤用原则,在实际的应⽤用中,如条件(空间和成本)允许,都选取C≥5T/R.PCB制版电容的选择⼀一般的10PF 左右的电容⽤用来滤除⾼高频的⼲干扰信号,0.1UF 左右的⽤用来滤除低频的纹波⼲干扰,还可以起到稳压的作⽤用。
旁路电容和去耦电容
旁路电容和去耦电容一、引言旁路电容和去耦电容是电子电路中常见的两种电容器应用。
它们在不同的场景下起到了重要的作用。
本文将从定义、原理、应用以及选型等方面对旁路电容和去耦电容进行详细介绍。
二、旁路电容1. 定义旁路电容，又称旁路电容器，是指将电容器连接在电路中，以提供低阻抗路径来滤除高频噪声的装置。
其作用是将高频信号引到地，使其不进入到灵敏的电路中，从而保证电路的正常工作。
2. 原理旁路电容的原理是利用电容器的阻抗与频率成反比的特性。
在高频信号下，电容器的阻抗较小，相当于一个短路，因此高频信号会优先通过电容器，而不会进入到灵敏的电路中。
而在低频信号下，电容器的阻抗较大，相当于一个开路，所以低频信号可以绕过电容器，进入到灵敏的电路中。
3. 应用旁路电容广泛应用于各种电子设备中，特别是在功放电路、滤波电路和信号处理电路中。
它可以有效地滤除电源中的高频噪声，提高电路的抗干扰能力，保证信号的准确传输。
此外，旁路电容还可以用于电源线路的滤波，降低电源波动对设备的影响。
4. 选型旁路电容的选型需要考虑电容值、耐压、耐温度等因素。
一般来说，电容值越大，对高频信号的旁路作用越好；耐压越高，适用范围越广；耐温度越高，适应环境的能力越强。
因此，在选型时需要根据具体的应用场景来选择合适的旁路电容。
三、去耦电容1. 定义去耦电容，又称绕行电容，是指将电容器连接在电路中，以提供低阻抗路径来平衡电压的装置。
其作用是将电源中的纹波电压补偿掉，保证电路的稳定工作。
2. 原理去耦电容的原理是利用电容器的阻抗与频率成反比的特性。
在电源中存在纹波电压时，电容器的阻抗较小，相当于一个短路，因此纹波电压会优先通过电容器，而不会进入到电路中。
而在直流信号下，电容器的阻抗较大，相当于一个开路，所以直流信号可以绕过电容器，进入到电路中。
3. 应用去耦电容广泛应用于各种电子设备中，特别是在功放电路、放大器电路和稳压电路中。
它可以有效地补偿电源中的纹波电压，提高电路的稳定性，保证信号的可靠传输。
高速PCB设计中电容的作用
上 式 就 是 电 容 的 容 抗 随 频 率 变 化 的 表 达 式 ，如 果
２丌ｆ ｓ ／ Ｌ ＝１２丌ｆ Ｃ，刃 么Ｉ ｍｉ＝ ，． 时 ： Ｂ ＺＩ ｎ Ｒｓ 止 Ｅ
量 很 大 ，由 于 其 隔 离 电 阻 低 ，就 是 等 效 并 联 电 阻 Ｅ ＲＥ Ｐ ＇ ￣ 小 ，所 以漏 电流 非 常大 （ 型 值 ５ ０ Ａ Ｆ ，因 此 它 不 典 口２ ｈ ／ ） 适 合 用 于存 储 和耦 合 。 电解 电容 比较 适合 用 于 电源 的 旁 路 电容 ，用于 稳定 电源 的 供 电。 最适 合 用于 交 流 耦 合及 电 荷 存 储 的 电容器 是 聚 四氟 乙烯 电容 器 和其 它聚 脂 型（ 烯 、 聚丙 聚 苯 乙烯 等） 电容器 。
７ 、单 片 陶瓷 电容器 ，比较 适合 用于 高频 电路 的退 耦 电
画 出电容 的容抗 的 曲线 的 图如 下 ：
容 ， 因为 它们 具 有很 低 的等 效 串联 电感 ，就 是 等效 串联 电
感Ｅ ＬＥ； 。具 备 有很 广 的 退 耦频 段 。这 和 他 的 结构 构 成 Ｓ＇ Ｊ ￣ ＂
如下：
项 重 要 参 数 ，理 想 电容 器 中 的 电 荷 应 该 只 随 外 部 电流 变
化。然而 实际 电容器中１Ｒ 使电荷以Ｒ Ｂ 问常数 决定 的 ￣ Ｌ ｇ Ｃ， － Ｊ
速 率缓 慢 泄漏 。
４ 、还 是 两 个 参数 Ｒ Ａ Ｄ 、Ｃ Ａ也 是 电容 的 分 布 参 数 ， Ｄ
但 在 实 际 的应 该 中影 响 比较 小 ，这 里 就 不介 绍 了。所 以电 容 重 要分 布参 数 的有 三 个 ：Ｅ Ｒ、Ｅ Ｌ Ｐ Ｓ Ｓ 、Ｅ Ｒ。其 中最重 要
旁路电容使用和选择
简介旁路电容常见于电子设备的每个工作部分。
大多数工程师都知道要对系统、电路甚至每个芯片进行旁路。
很多时候我们选择旁路电容是根据过往的设计经验而没有针对具体电路进行优化。
本应用指南旨在对看似简单的旁路电容的设计思路进行探讨。
在分析为什么要使用旁路电容之后，我们会介绍有关电容基础知识、等效电路、电介质所用材料和电容类型。
接下来对旁路电容的主要功能和使用场合进行区分。
与仅工作在高频的电路不同，会产生大尖峰电流的电路有不同的旁路需求。
另外还会讨论一些有针对性的问题，如,运用多个旁路电容以及电路板布局的重要性。
最后，我们给出了四个具体的示例。
这四个例子涉及了高、低电流和高、低频率。
为什么要使用旁路电容非常常见（和相当令人痛心）的是用面包板搭建一个理想配置电路时，经常会遇到电路运行不稳定或者根本就不能运行的情况（见图1）。
来自电源、内部IC 电路或邻近IC 的噪声可能被耦合进电路。
连接导线和电路连接起到了天线的作用而电源电压产生变化，电流随之不稳定。
图2所示为通过示波器所观察到的电源引脚上的信号波形。
图2. 示波器所观察到的同相放大器直流电源引脚的波形我们可以看到，直流电压附近有很多高频噪音(约10mV P-P ) 。
此外，还有之前提到的幅度超出50mVr 的周期性电压脉冲。
因假定电源为稳定值（恒定为直流电压），那么任何干扰都将被直接耦合到电路并可能因此导致电路不稳定。
电源的第一道抗噪防线是旁路电容。
通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电，旁路电容消除了电源电压的波动。
旁路电容为电源建立了一个对地低阻抗通道，在很宽频率范围内都可具有上述抗噪功能。
要选择最合适的旁路电容，我们要先回答四个问题： 1、需要多大容值的旁路电容2、如何放置旁路电容以使其产生最大功效3、要使我们所设计的电路/系统要工作在最佳状态， 应选择何种类型的旁路电容？4、隐含的第四个问题----所用旁路电容采用什么样的封装最合适？（这取决于电容大小、电路板空间以及所选电容的类型。
电容（2）旁路电容工作原理深度解析
电容（2）旁路电容⼯作原理深度解析旁路电容（bypass capacitor）在⾼速数字逻辑电路中尤为常见，它的作⽤是在正常的通道（信号或电源，本⽂以电源旁路电容为例）旁边建⽴另外⼀个对⾼频噪声成分阻抗⽐较低的通路，从⽽将⾼频噪声成分从有⽤的信号⽤滤除，也因此⽽得名，如下图所⽰：通常我们见到的旁路电容位置如下图所⽰：如果是⾼密度BGA（Ball Grid Array）封装芯⽚，则旁路电容通常会放在PCB底层（芯⽚的正下⽅），这些旁路电容会使⽤过孔扇出（Fanout）后与芯⽚的电源与地引脚连接，如下图所⽰：更有甚者，很多⾼速处理器芯⽚（通常也是BGA封装）在出⼚时，已经将旁路电容贴在芯⽚上，如下图所⽰：台式电脑的CPU（Central Processing Unit）⼀般都是⽤CPU插槽进⾏安装，很多CPU芯⽚的背⾯（是芯⽚的背⾯，⽽不是贴芯⽚的PCB板背⾯）也会有很多旁路电容，如下图所⽰：总之，旁路电容的位置总是会与主芯⽚越来越靠近，原理图设计⼯程师在进⾏电路设计时，也通常会将这些旁路电容的PCB LAYOUT要点标记起来，⽤来指导PCB布局布线⼯程师，如下图所⽰：那么这⾥就有两个问题了:（1）为什么旁路电容⼀定要与主芯⽚尽可能地靠近？（2）为什么⼤多数旁路电容的值都是0.1uF（104）？这是巧合吗？要讲清楚这两个问题，⾸先我们应该理解旁路电容存在的意义，很多⼈分不清滤波电容、旁路电容，其实本质上两者是没有任何区别，只不过在细节上对电容的要求有所不同。
⽆论电容的应⽤场合名称叫什么，基本的（也是共同的）⼀点特性总是不会变的：储能。
电容的这⼀特性使得外部供电电源有所波动时，与电容并联的对象两端的电压所受的影响减⼩，如下图所⽰：上图中，我们⽤开关K1来模拟扰动的来源，很明显，每⼀次开关K1闭合或断开时，在电阻R1与R2的分压下，电阻R2两端的电压（V DD）都是会实时跟随变化的（即波动很⼤），只不过电压幅度不⼀致⽽已，我们认为开关的切换动作已经产⽣了电源噪声。
电容应用分析精粹 从充放电到高速PCB设计
本书旨在全面深入地探讨电容的应用和分析。在电子设备中，电容是一种基本的电子元件，具有 非常重要的地位。本书将从电容的基本原理入手，阐述其充放电特性、电路滤波、阻抗匹配等方 面的知识，并结合高速PCB设计进行深入探讨。
电容是储存电荷的元件，基本单位是法拉（F）。它由两个金属板组成，中间隔有一定的距离， 即电介质。当两个金属板之间存在电压时，就会在两个金属板之间产生电荷分布，形成电场。电 容的基本公式为C=Q/U，其中C是电容，Q是电荷量，U是电压。根据这个公式，可以知道电容与 电荷量和电压成正比，与金属板之间的距离和面积成反比。
目录分析
然后，针对高速PCB设计的多个方面，如信号完整性、电源完整性、电磁兼容性等进行了深入探 讨。接着，详细介绍了高速PCB设计中的一些关键技巧，如拓扑结构选择、信号路由、电磁屏蔽 等。结合具体案例，讨论了使用相关软件进行高速PCB设计的实践应用。 通过本章的学习，读者可以了解高速PCB设计的基本概念、技巧和方法，并学会使用相应的软件 进行实际操作。 通过对《电容应用分析精粹：从充放电到高速PCB设计》这本书的目录分析，我们可以看到全书 内容丰富、结构清晰。第一章到第四章分别从电容器基础、电容器的分类和应用、电容器的测量 方法和技术，以及高速PCB设计四个方面对电容器的应用进行了全面深入的探讨。这本书不仅有 助于读者系统地了解电容器的相关知识，还可为其在高速PCB设计等领域提供有价值的参考。对 于电子工程领域的专业人士以及相关爱好者来说，这本书具有很高的学习和参考价值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高速PCB中旁路电容的分析
一、旁路电容概念
可将混有高频电流和低频电流的交流信号中的高频成分旁路滤掉的电容，称做“旁路电容”。
二、电容的一些特性
1、理想电容的插入损耗特性
插入损耗定义：没有接入滤波器时，从噪声源传输到负载的噪声功率和接入滤波器后，从噪声源传输到负载的噪声功率之比。
当频率增加时电容的插入损耗增加，系统通过电容滤波后，能传输到负载的噪声减少，电容滤除高频噪声的能力增加。
当频率低时，各种电容对应的插入损耗是金丝相同的，但是随着频率的增加，小电容的插入损耗值增加的较慢，所以大电容对于滤除低频噪声十分有效。
2、实际电容的高频响应特性
实际电容在工作时存在寄生电感，是电容回路成为一个串联的谐振回路，当频率小于谐振频率时，呈容性，当频率大于谐振频率时，呈感性。
电容就像是一个带阻滤波器，其通带仅为谐振频率附近的一段频率，所以，为了滤除一个系统中不同频率段的噪声，我们要选用不同类型的电容并联来实现。
三、PCB中的环流问题
在高速PCB设计中，一个很重要的原则就是减少信号电流的环路面积。
在高频电路中，电源和地市等价的，电流的流出路径和返回路径形成了电流环，这些电流环会使环路的阻抗不为零，电流流经这一环路时会产生电势差，产生辐射，对系统产生干扰。
为了给电源滤波，需要在电源和地之间加上一些旁路电容，作用有二个：一是增加环路中存储电荷的能力，避免瞬间电流过大；二是放置旁路电容的位置，可为噪声信号提供就近的地回路，减少电流环路的回流面积。
四、器件电源管脚旁路电容的放置
1、当器件电源管脚与地管脚位于器件的同一侧时，电容放置在器件电源管脚与地管脚之间，地管脚直接过孔接地平面，电容的电源管脚靠近器件的电源管脚，通过一小段传输线相连。
2、当器件的电源管脚与地管脚不在器件的同一侧时，电容放在接近器件电源管脚处，通过一小段传输线相连，地管脚直接过孔接地平面。
3、当器件与电容不在同一层时，将过孔放在电容电源管脚和芯片电源管脚之间。