谈Decoupling Capacitors

转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_4aeb29330100071i.html

 

在数字电路中，我们常常见到在数字芯片的电源管脚附近放置了电容，它们也可能集中出现在原理图的某一页中，但在Layout的过程中，这些电容还会最终被分配给数字芯片的电源管脚。

通常大家称其为去藕或者滤波电容，其作用自然也无非就是去藕或者滤波了。然而对于这些电容的叫法和作用存在一定的争议和误解。Decoupling和Filtering分别是去藕和滤波的英文翻译，相信大家对滤波的意义都很清楚，电子学上的Filtering无非就是通过某种手段，从频率上加以区分，去除掉不想要的或者保留希望得到的信号的过程。再谈去藕，我们都知道耦合的意思，通常会见到，直流耦合，交流耦合，电阻耦合和电容耦合等等说法，无非是将一个信号或者一部分能量通过某种方法，施加到另外一个信号或者部分能量上面。而Decoupling的意思是，必然和Coupling是相对应的， 就是通过某种方法阻止信号或者能量在某一点的传递。滤波是实现去藕多种方式中的一种。这里关于电容的讨论里面，去藕和滤波这两个概念是等同的。旁路（Bypass）电容是另外一种叫法，其意思无非是给某一个频率的信号或者能量提供了一个通道，等同于上述的滤波。在真正理解了这些电容在数字电路中的作用以后，称谓也就变得不重要了。

那么究竟是什么原因致使需要这些的电容的存在哪？数字芯片的电源有两个作用，一是为里面的逻辑电路工作提供能量；二是提供一个参考电平，为输入信号提供一个判决的参考-------差分输入的电路除外，差分电路的两个输入彼此参考。针对第一个功能，要提供稳定充足的电流和电压，作为参考电平，自然对电压有一定的要求。造成电源不理想的因素大致有如下几个：电源自身纹波，噪声以及数字电路工作在开关状态时引起的电流电压的波动。

由于电源自身的工作原理决定了，电源自身纹波不可避免，尤其是开关电源，所以通常可以看到电源的输出端会放置几颗电容，来滤除纹波-----道理自然很简单，纹波是施加在直流上面的交流成份，利用电容通交隔直作用，避免纹波被施加到后面电路。放置在电源附近的电容，通常也被称作Board-level capacitor。

噪声是靠近电源的干扰源耦合上来的，通常频率较高，能量较低。数字电路电源管脚的电容的作之一用就是消除这部分噪声的。这也就是很多朋友常提到的，“这些电容用来滤除电源的干扰，大的（通常是电解电容）滤除低频的干扰，小的（瓷片电容）用来滤除高频的干扰。”从前有一个错误的认识，以为这是Bypass电容的唯一作用，其实不然，这些电容的更重要的一个作用在数字电路工作时得以体现，因为数字电路的开关特性以及较高的工作频率决定了----数字电源的供电电流会随着芯片的工作频率有较大的波动，电压势必随之波动。抑制由数字芯片工作而引起的这类波动同样要有这些电容来实现。

数字电路的自身机理决定了其在工作的时候，电流会随着电路的开关而波动，这类因波动产生的电流被称为Transient Current，由于数字电路工作频率的提高，Transient Current 便含有了高频的成份。现实设计中的PCB电源走线和电源平面都一定的电感和电阻，这是很难避免的。Transient Current 流过他们的时候，自然也就产生了电压，这里说的电源包括电源和地。如此以来，由于数字电路工作引起的噪声分别出现在了电源和地管脚。数字电路工作时的电流波动不可避免，那么降低或抑制此类噪声的办法就是降低电源的输出阻抗，因为从数字芯片的电源管脚向电源方向看过去，引起噪声的电感和电阻也被认为是电源的输出阻抗。降低电源输出阻抗的方法就是在电源的管脚并接电容，接下来问题就是如何去确定电容的容值，因为成本和空间以及电容的ESR和ESL等原因，决定了电容并非是越多越好，容值并非越大越好。

通过计算确定电容的容值有如下几种方法:

第一种方法，在Altera公司的一篇文章（http://www.altera.com/support/devices/power/integrity/pow-integrity.html）里面有提及，该方法通过确定芯片所驱动的等效电容值，然后乘以一个根据理论和经验得到的参数25~100,得到需要为该芯片提供的总电容值，然后除以电源管脚数量，得到应该每个电源管脚应放置的电容理论值。

第二种方法，是在Micron的应用笔记TN006里面提到的第一种，在已知驱动的电容值和充电电压，来得到电路中的Transient Current，最后通过电源所能允许的最大波动和Transicent Current来得到Bypass Capacitor的值。

第三种计算方法，是TN006中提及的第二种，较为复杂，但也更加精确一些，因为与上述两种方法的不同之处在于这种方法在计算的过程中，考虑到了电容的ESR和ESL。这也正是Bypass电容并非越大越好的原因，也是有很多小的容值的电容相互并联的原因。该方法在著名的High-Speed Digital Design里面的第八章里面也有介绍，同时还介绍了在确定容值之后，如何根据特性来选择不同种类的电容，以及在Layout时候如何放置。

上述方法，是我所见到通过计算来决定容值的方法， 不知道是否还有其他方法。但在实际的设计中，我认为按照上述方法来进行设计具有一定的难度，因为在设计之初未必有如此详尽而准确的数据提供出来用作计算。较为可行的方法还是在理解这类电容的作用和原理的前提下，根据经验在设计之初尽量多一点放置电容，在调试的过程中通过实际测量来选取较为合适的容值，将多余的电容在第二次layout时去掉，或者通过Depopulate的方法，从BOM中将多余的电容去掉。

在数字和模拟共存的电路中，有时候会看到在数字和模拟的电源连接处用一个电感，磁珠抑或O ohm电阻，似乎于上面提及的降低电源的输出阻抗相悖，实则是非常必要的。因为模拟电路在工作的过程中不会出现波动，为了避免数字部分Transient Current对电压稳定要求很高的模拟部分的影响，通过感性的器件将该类波动（AC）电流隔离在模拟电路之外。相成了一个直流相通，交流相隔的电路。

有兴趣的朋友可以仔细读一下上面提到的几篇应用笔记，相信会有所帮助。还有下面的一篇文章：http://www.seattlerobotics.org/encoder/jun97/basics.html。

还有两篇文章：

衡量电容性能的几个重要性能参数:http://et.zqsplc.net/Article_Show.asp?ArticleID=2325

电容ESR的意义ESR缘何重要？:http://et.zqsplc.net/Article_Show.asp?ArticleID=2326