电容去耦半径
去耦电容的选取
高速电路板上使用最多的是什么东西？去耦电容！关键词：去耦（decouple）、旁路（Bypass）、等效串联电感（ESL）、等效串联电阻（ESR）、高速电路设计、电源完整性（PI）、信号完整性（SI）高手和前辈们总是告诉我们这样的经验法则：“在电路板的电源接入端放置一个1～10μF的电容，滤除低频噪声；在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01～0.1μF的电容，滤除高频噪声。
”在书店里能够得到的大多数的高速PCB设计、高速数字电路设计的经典教程中也不厌其烦的引用该首选法则（老外俗称Rule of Thumb）。
但是为什么要这样使用呢？各位看官，如果你是电路设计高手，你可以去干点别的更重要的事情了，因为以下的内容仅是针对我等入门级甚至是门外级菜鸟。
做电路的人都知道需要在芯片附近放一些小电容，至于放多大？放多少？怎么放？将该问题讲清除的文章很多，只是比较零散的分布于一些前辈的大作中。
鄙人试着采用拾人牙慧的方法将几个问题放在一起讨论，希望能加深对该问题的理解；如果很不幸，这些对你的学习和工作正好稍有帮助，那我不胜荣幸的屁颠屁颠的了。
首先就我的理解介绍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，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）。
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，需要瞬时从电源线上抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低，从而引起对自身和其他器件的干扰。
电容的去耦半径计算
电容的去耦半径计算电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。
大多数资料中都会提到电容摆放要尽量靠近芯片，多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离问题。
确实，减小电感是一个重要原因，但是还有一个重要的原因大多数资料都没有提及，那就是电容去耦半径问题。
如果电容摆放离芯片过远，超出了它的去耦半径，电容将失去它的去耦的作用。
理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。
当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰动。
信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。
同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。
因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。
特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好，我们以这个频率来衡量这种相位关系。
设自谐振频率为f，对应波长为L，补偿电流表达式可写为：其中，A是电流幅度，R为需要补偿的区域到电容的距离，C为信号传播速度。
当扰动区到电容的距离达到L/4时，补偿电流的相位为pi=3.14，和噪声源相位刚好差180度，即完全反相。
此时补偿电流不再起作用，去耦作用失效，补偿的能量无法及时送达。
为了能有效传递补偿能量，应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。
距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多，如果距离为0，则补偿能量百分之百传递到扰动区。
这就要求噪声源距离电容尽可能的近，要远小于L/4。
实际应用中，这一距离最好控制在L/50~L/40之间，这是一个经验数据。
例如：0.001uF陶瓷电容，如果安装到电路板上后总的寄生电感为1.6nH，那么其安装后的谐振频率为125.8MHz，谐振周期为7.95ps。
假设信号在电路板上的传播速度为166ps/inch，则波长为47.9英寸。
电容去耦半径为47.9/50=0.958英寸，大约等于2.4厘米。
如何辨别去耦与退耦
去耦去耦qù’ǒu〖decoupling〗阻止从一电路交换或反馈能量到另一电路防止发生不可预测的反馈，影响下一级放大器或其它电路正常工作。
例如：使用一个共发射极接法三极管，由于Vcc有内阻，当基极输入交流信号，会在电源Vcc电流（基极集电极电流和）会产生交流电流，从而影响偏置端基极。
导致输出端电压不稳定。
通常的解决办法是使用电容对Vcc交流接地，取出此影响。
这个解决办法叫做去耦。
退耦所谓退耦，既防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。
换言之，退耦电路能够有效的消除电路网络之间的寄生耦合。
退耦滤波电容的取值通常为47~200μF，退耦压差越大时，电容的取值应越大。
所谓退耦压差指前后电路网络工作电压之差。
如下图为典型的RC退耦电路，R起到降压作用：大家看到图中，在一个大容量的电解电容C1旁边又并联了一个容量很小的无极性电容C2原因很简单，因为在高频情况下工作的电解电容与小容量电容相比，无论在介质损耗还是寄生电感等方面都有显著的差别（由于电解电容的接触电阻和等效电感的影响，当工作频高于谐振频率时，电解电容相当于一个电感线圈，不再起电容作用）。
在不少典型电路，如电源退耦电路，自动增益控制电路及各种误差控制电路中，均采用了大容量电解电容旁边并联一只小电容的电路结构，这样大容量电解电容肩负着低频交变信号的退耦，滤波，平滑之作用；而小容量电容则以自身固有之优势，消除电路网络中的中，高频寄生耦合。
在这些电路中的这一大一小的电容均称之为退耦电容。
还有些电路存在一些设置直流工作点的电阻，为消除其对于交流信号的耦合或反馈作用就需要在其上并联适当的电容来减少对交流信号的阻抗。
这些电容均起到退耦作用称之为退耦电容。
电容退耦原理
（公式 3）
当频率很低时，
远小于
，整个电容器表现为电容性，当频率很高时，
大
于
，
电容器此时表现为电感性，因此“高频时电容不再是电容”，而呈现为电感。当
时，
，此时容性阻抗矢量与感性阻抗之差为 0， 电容的总阻抗最小，表现为纯电阻特性。 该频率点就是电容的自谐振频率。自谐振频率点是区分电容是容性还是感性的分界点，高于谐振频率时， “电容不再是电 容”，因此退耦作用将下降。因此，实际电容器都有一定的工作频率范围，只有在其工作
其中：L 是过孔的寄生电感，单位是 nH。h 为过孔的长度，和板厚有关，单位是英寸。d 为过孔的直径， 单位是英寸。下面就计算一个常见的过孔的寄生电感，看看有多大，以便有一个感性认识。设过孔的长度 为 63mil（对应电路板的厚度 1.6 毫米，这一厚度的电路板很常见），过孔直径 8mil，根据上面公式得：
著名的 TargetImpedance（目标阻抗）
目标阻抗（TargetImpedance）定义为：
（公式 4）
其中： 为要进行去耦的电源电压等级，常见的有 5V、3.3V、1.8V、1.26V、1.2V等。
为
允许的电压波动，在电源噪声余量一节中我们已经阐述过了，典型值为 2.5%。
为负载芯片的最大
在制作电路板时，通常会在负载芯片周围放置很多电容，这些电容就起到电源退耦作用。其原理可用 图 1说明。
图 1去耦电路 当负载电流不变时，其电流由稳压电源部分提供，即图中的 I0，方向如图所示。此时电容两端电压与 负载两端电压一致，电流 Ic为 0，电容两端存储相当数量的电荷，其电荷数量和电容量有关。当负载瞬态 电流发生变化时，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够 的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化，因此，电流 I0不会马上满足负载瞬态电流要求，因 此负载芯片电压会降低。但是由于电容电压与负载电压相同，因此电容两端存在电压变化。对于电容来说 电压变化必然产生电流，此时电容对负载放电，电流 Ic不再为 0，为负载芯片提供电流。根据电容等式：
100nf 去耦电容
100nf 去耦电容100nf去耦电容是一种常见的电子元件，它在电路中起到去除噪音和稳定电压的作用。
在本文中，我们将详细介绍100nf去耦电容的原理和应用，并探讨其在电子设备中的重要性。
让我们来了解一下100nf去耦电容的基本概念和原理。
去耦电容是一种用于消除电路中噪音干扰的电容器。
噪音是由于电源的电压波动或其他电路元件的干扰引起的，它会对电子设备的正常工作产生负面影响。
而去耦电容的作用就是通过将噪音电流引导到地，从而使电路保持稳定，提供干净的电源给其他元件使用。
100nf去耦电容通常由陶瓷材料制成，这种材料具有较高的介电常数和稳定性，适用于高频噪音滤波。
它的容值为100纳法（nf），这个数值表示了电容器的存储电荷能力，即100nf去耦电容可以存储100纳库仑（nc）的电荷。
100nf去耦电容的应用非常广泛，特别是在集成电路（IC）和模拟电路中。
在IC中，100nf去耦电容常常被连接到芯片的电源引脚和地引脚之间，以提供稳定的电源。
它可以过滤掉电源线上的高频噪音，确保芯片正常工作。
在模拟电路中，100nf去耦电容通常与电源滤波电容器一起使用，共同提供稳定的电源和滤波效果。
除了在IC和模拟电路中的应用，100nf去耦电容还可以在各种电子设备中发挥重要作用。
例如，在音频放大器中，100nf去耦电容可以滤除电源线上的噪音，提供清晰的音频信号。
在通信设备中，它可以减少电源波动对信号传输的干扰。
在计算机主板中，100nf去耦电容可以保护微处理器和其他关键元件免受电源波动的影响。
100nf去耦电容是一种非常重要的电子元件，它在电路中起到去除噪音和稳定电压的作用。
通过将噪音电流引导到地，100nf去耦电容可以保证电子设备的正常工作。
它的应用范围广泛，包括集成电路、模拟电路、音频放大器、通信设备和计算机主板等。
在设计和制造电子设备时，我们应该充分认识到100nf去耦电容的重要性，并合理应用它来提高电路的稳定性和性能。
去耦电容的选择
去耦电容的选择在高速时钟电路中，尤其要注意元件的RF去耦问题。
究其原因，主要是因为元件会把一部分能量耦合到电源/地系统之中。
这些能量以共模或差模RF的形式传播到其他部件中。
陶瓷片电容需要比时钟电路要求的自激频率更大的频率，这样可选择一个自激频率在10～30 MHz，边沿速率是2 ns或者更小的电容。
同理可知，由于许多PCB的自激范围是200～400 MHz，当把PCB 结构看做一个大电容时，可以选用适当的去耦电容，增强EMI的抑制。
表5－1和表5－2所示给出了电容选择方面有用的数据。
从这两个表中，可以知道由于引线中不可避免存在较小电感，表面安装元件具有更高的（大约两个数量级）自激频率。
铝电解电容不适用于高频去耦，主要用于电源或电力系统的滤波。
由实际经验可知，选择不同去耦电容的依据，通常是根据时钟或处理器的第一谐波来选择。
但是，町电流是由3次或5次谐波产生的，此时就应该考虑这些谐波，采用较大的分立电容去耦。
在达到200～300 MHz以上频率的电流工作状态后，0.1μF 与0.01μF并联的去耦电容由于感性太强，转换速度缓慢，不能提供满足需要的充电电流。
在PCB上放置元件时，必须提供对高频RF的去耦。
必须确保所选去耦电容能满足可能的要求。
考虑自激频率的时候需要考虑对重要谐波的抑制，一般考虑到时钟的5次谐波。
以上这些要点对高速时钟电路尤为重要。
对去耦电容容抗的计算是选择去耦电容的基础，表示为其中，Xc是容抗（Ω）；f是谐振频率（Hz）；C为电容大小。
选择去耦电容的关键是计算所用电容的容值大小，这里向大家介绍常在高速电路里使用的波形法。
如图1所示，逻辑状态由0转换到1，实际的时钟边沿速率发生了变化。
虽然切换位置仍然保持不变，但t1、t2，已改变，这是因为电容充、放电使信号边沿变化变缓的原因。
图1 时钟信号的容性影响利用表的公式可以计算图1中的时钟边沿变化率。
在设计时要注意的是，必须确保最慢的边沿变化率不会影响其工作性能。
退耦电容原理--退藕电容的一般配置原则
退耦电容原理所谓退耦，既防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。
换言之，退耦电路能够有效的消除电路网络之间的寄生耦合。
退耦滤波电容的取值通常为47~200μF，退耦压差越大时，电容的取值应越大。
所谓退耦压差指前后电路网络工作电压之差。
如下图为典型的RC退耦电路，R起到降压作用：大家看到图中，在一个大容量的电解电容C1旁边又并联了一个容量很小的无极性电容C2原因很简单，因为在高频情况下工作的电解电容与小容量电容相比，无论在介质损耗还是寄生电感等方面都有显著的差别（由于电解电容的接触电阻和等效电感的影响，当工作频高于谐振频率时，电解电容相当于一个电感线圈，不再起电容作用）。
在不少典型电路，如电源退耦电路，自动增益控制电路及各种误差控制电路中，均采用了大容量电解电容旁边并联一只小电容的电路结构，这样大容量电解电容肩负着低频交变信号的退耦，滤波，平滑之作用；而小容量电容则以自身固有之优势，消除电路网络中的中，高频寄生耦合。
在这些电路中的这一大一小的电容均称之为退耦电容。
Re: 大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大（也叫等效串联电感，英文简称ESL）。
电感对高频信号的阻抗是很大的，所以，大电容的高频性能不好。
而一些小容量电容则刚刚相反，由于容量小，因此体积可以做得很小（缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可以看成是一个电感的），而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小ESL 这样它就具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。
所以，如果我们为了让低频、高频信号都可以很好的通过，就采用一个大电容再并上一个小电容的方式。
常使用的小电容为 0.1uF的瓷片电容，当频率更高时，还可并联更小的电容，例如几pF，几百pF的。
而在数字电路中，一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0.1uF的电容到地（这个电容叫做退耦电容，当然也可以理解为电源滤波电容,越靠近芯片越好），因为在这些地方的信号主要是高频信号，使用较小的电容滤波就可以了。
电容滤波半径
电容滤波半径
摘要：
I.电容滤波半径的概念
- 电容滤波的定义
- 半径的定义
II.电容滤波半径的计算
- 计算公式
- 公式中各参数的含义
- 计算实例
III.电容滤波半径的影响因素
- 电容值
- 电源频率
- 负载电流
IV.电容滤波半径在实际应用中的意义
- 滤波效果
- 电路稳定性
- 电源输出质量
正文：
电容滤波半径是电容滤波电路中的一个重要概念，它直接影响着滤波效果和电路的稳定性。
在实际应用中，正确选择电容滤波半径可以提高电源输出质量，保证电路的正常运行。
电容滤波是一种利用电容器的充放电过程来平滑电源电压波动的方法。
在电容滤波电路中，电源电压通过电容器充电，然后在放电过程中输出稳定的电压。
半径是描述电容器充放电过程中电压变化范围的一个参数，它表示电源电压的波动范围。
电容滤波半径越小，滤波效果越好，但同时会增加电路的复杂性和成本。
电容滤波半径的计算公式为：
半径= 0.289 / f (U / I)
其中，f 是电源频率，U 是电源电压，I 是负载电流。
公式中的参数都是已知的，因此可以直接计算出电容滤波半径。
在实际应用中，可以根据电路的需求和实际情况选择合适的电容滤波半径。
电容滤波半径的影响因素包括电容值、电源频率和负载电流。
电容值越大，滤波效果越好；电源频率越高，电容滤波半径越小；负载电流越大，电容滤波半径也越大。
因此，在设计电容滤波电路时，需要综合考虑这些因素，选择合适的电容滤波半径。
总之，电容滤波半径是电容滤波电路中的一个重要参数，它影响着滤波效果和电路稳定性。
- 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)。
1
目 标 阻 抗 ： Z /欧 姆
20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -1 -3/4 -1/2 -1/4 0 1/4 传输线长度：d
1
1/2
3/4
1
从图中可以看出在传输线长度 d 为4 ������时，目标阻抗为很大的值，根据（2）式可 知为
Z=j 带入具体值可得 Z = 25000 欧姆。
2������
，������为电磁波在传输线中传播的波长，������ = ������������������������ ∗������ ，������������������������ 为有效介 ������
������ 1
������
电常数，f 为频率。 ） 其中去耦电容阻抗：������������ = − ������������ ，(������������ 为去耦电容阻抗的幅值)将其带入（1）式得 Z = jZ0
Z02
1 ������������
，d 为4 ������时
1
则得出传输线长度 d 应远远小于4 ������，且传输线长度 d 越小越好，当然在现实中 无法做到 d=0，则要求目标阻抗要小于一定的值（目标阻抗的值是你根据你的电 路自己定的，定的方法网上可以搜到） ，如网上所说的 d 一般取多少多少，其原 理就在于当 d 取这些值得时候，目标阻抗 Z 能满足要求。下表给出 d 与 Z 对应的 几个典型值。 假定 Z0=50 欧姆，������������ =0.1 欧姆 传输线长度 d 目标阻抗 Z/欧姆 1 ������ 50 6 1 ������ 40 8 1 ������ 20 16 1 ������ 4 25000
1
− ������������ + Z0tan (βd) ������0 + ������������ ������������������(βd)
1
ห้องสมุดไป่ตู้
1
（2）
另 Z0=50 欧姆，������������ 一般取 0.1~1 欧姆，这里我们取 0.1 欧姆，对上式进行 matlab 画图，
100 80 60 40
电容去耦半径 --by 乔乔 网上对电容去耦半径的解释大多还停留在定性解释，今天我对其进行定量解释。 该解释基于目标阻抗。 （目标阻抗的定义网上很好搜到） 不考虑传输线的作用时， 目标阻抗为去耦电容的阻抗。若要解释去耦半径则需要 考虑传输线的影响， 此时目标阻抗为去耦电容和传输线的串联， 根据传输线理论， ������������ + jZ0tan (βd) Z = Z0 （1） ������0 + ������������������������������������(βd) 目标阻抗：Z，传输线特征阻抗：Z0，去耦电容阻抗：ZC，传播常数：β，传输线 长度 d。 （其中β = −