在星球文章:【电子通识】为什么IC需要自己的去耦电容? 中我们了解到。用电芯片电源网络附近经常都放置了去耦电容,其主要的原因是防止外部电源噪声影响了IC的性能和防止IC产生的噪声传导到电源线上,影响到的其他用电芯片。
其实电路中绝大部分的干扰都是来自电路自身的电源线(VCC和GND)。在很多时候,对于初学者来说,“干扰”是“无名肿痛”,因为它无所不在,但是我们又无计可施。
滤波电容和去耦电容的本质是一样的,都是用于稳压的目的。两者的区别只是观察的视角不同。滤波电容是对于电源而言的,而去耦电容是针对用电器(如芯片、模块)而言。
如下图所示,电源给多个芯片供电。芯片2是一个数字芯片,输出方波给负载RL。由于负载电流是方波(如我们在星球文章:【电源专题】负载瞬变测试--为什么要进行电源的瞬态响应测试 中的2G无线模块工作时电流就是波动的),所以芯片2向电源索取的电流将不是恒流,产生了变化的I2。理想的电源是不存在的,所有电源均有内阻,变化的电流在电压源上产生了压降R2,从而导致VCC发生的变化。
虽然I2电流是动态变化的,但是由于电源端C的稳压作用,VCC输出不至于是方波。但后向下图所示的波形,VCC会产生毛刺(是突变的电流在电容ESR上产生的压降。电容ESR部分可参考星球文章:【分立元件】实际电容的模型与寄生参数对特性的影响),毛刺的位置对应了芯片2输出电流开关时刻(突变时刻)。
由于同一个电源下可以挂载多个负载,所以芯片1的供电VCC不再是恒定的直流。芯片1将得到的是芯片2干扰后有毛刺的电源电压。因此我们说芯片2通过电源线将干扰传递给了芯片1,就是电源线上的耦合干扰。
如果在减缓或是消除电源线耦合干扰的影响,需要用到去耦电容。其作用和水库非常类似。作用就是起到调节水流(电流)盈亏的作用。比如水库(电容)就是在干旱(用电)的时候放水(释放能量),在雨季(不用电)时储水(存储能量)。芯片在配上去耦电容后,相当于就近建了一座水库,就可以减少或消除了干扰别人,也不被别人干扰了。
对于去耦电容的放置位置也有讲究,也就是大多数资料中都会提到电容应该靠近芯片摆放。可参考星球文章:【分立元件】电容——去耦半径。如下图所示,根据我们在星球文章:【分立元件】理解电容 中讲到的,电容两端的电压是不能突变的。因此去耦电容由于线路电阻,电容C1/C2仅仅只能稳定Uab和Uef两端的电压,芯片处的供电电压Ucd和Ugh仍然是波动的。
所以去耦电容的布置,我们一般会放置在尽量靠近用电芯片VCC和GND的PIN脚。如下图所示:芯片的供电电压与C1和C2两端的电压一致,供电电压自然就达到稳定了。
更多去耦电容文章可参考:【电源专题】为什么旁路/去耦电容这么重要?在PCB Layout时应该注意什么?
总结: 滤波电容和去耦电容的本质是一样的,都是用于稳压的目的。两者的区别只是观察的视角不同。滤波电容是对于电源而言的,而去耦电容是针对用电器(如芯片、模块)而言。去耦电容的主要的作用是防止外部电源噪声影响了IC的性能和防止IC产生的噪声传导到电源线上,影响到的其他用电芯片。PCB中的位置应该靠近芯片摆放。
李光熠