数字IC应该使用(yòng)什么尺寸的去耦電(diàn)容器？

2021-04-23

数字IC应该使用(yòng)什么尺寸的去耦電(diàn)容器？

关于旁路和去耦電(diàn)容器，这里有(yǒu)很(hěn)多(duō)信息。这两个组件对于维持電(diàn)源完整性和信号完整性至关重要。当您开始阅读有(yǒu)关此主题的信息时，您会发现為(wèi)数字IC调整去耦電(diàn)容器尺寸的过程非常简单。

旁路与去耦：有(yǒu)什么區(qū)别？

尽管通过阅读一些PCB设计指南不会了解这一点，但旁路和去耦電(diàn)容器并不涉及两种不同类型的電(diàn)容器。这两个术语指的是電(diàn)容器的功能(néng)，而不是電(diàn)容器的设计或所用(yòng)的材料。许多(duō)设计人员将两个電(diàn)容器及其功能(néng)互换使用(yòng)。本质上，任何给定的電(diàn)容器都可(kě)以用(yòng)作旁路或去耦電(diàn)容器。

旁路電(diàn)容器背后的意图是通过将噪声直接“旁路”到地面来防止噪声从電(diàn)源进入PCB系统。由于電(diàn)容器还用(yòng)作接地的高通滤波器，因此可(kě)以使用(yòng)電(diàn)容器将系统中的高频噪声直接传递到接地回路。实际上，直流電(diàn)源输出中存在的低電(diàn)平噪声永遠(yuǎn)不会进入系统。

将此与另一种使用(yòng)電(diàn)容器的電(diàn)源完整性进行比较。当放置在IC的電(diàn)源和接地引脚上时，電(diàn)容器执行的功能(néng)与使用(yòng)電(diàn)源时相同，因此有(yǒu)时也称為(wèi)旁路電(diàn)容器。实际上，它提供了与旁路相同的功能(néng)，即，它通过電(diàn)容性阻抗提供了一条接地路径。但是，它执行的另一项功能(néng)非常重要，因此，该放置使電(diàn)容器成為(wèi)去耦電(diàn)容器。当一个逻辑IC切换时，它可(kě)以提高自身和附近其他(tā)IC的接地電(diàn)位，这种现象也称為(wèi)接地反弹。将去耦電(diàn)容器连接至IC的電(diàn)源和接地引脚，可(kě)将其電(diàn)势与板上其他(tā)IC的電(diàn)势“去耦”。

尽管这两个术语最初旨在引用(yòng)不同的功能(néng)而不是不同类型的電(diàn)容器，但是任何想要确保電(diàn)路板上功率和信号完整性的设计人员都需要為(wèi)其旁路或去耦電(diàn)容器选择合适的尺寸。某些用(yòng)于不同组件的数据手册会强调在组件的電(diàn)源和接地引脚之间增加一个专用(yòng)的去耦電(diàn)容器（他(tā)们通常将其称為(wèi)旁路電(diàn)容器）以达到信号完整性的目的。选择正确的去耦電(diàn)容器尺寸需要了解两点：

電(diàn)容器的实际電(diàn)學(xué)行為(wèi)以及如何在電(diàn)路模型中对其进行描述

電(diàn)容器的时域响应及其在放電(diàn)过程中如何传递電(diàn)流

等效電(diàn)容器型号

為(wèi)了选择合适的電(diàn)容器尺寸，您需要检查電(diàn)容器的基本電(diàn)路模型。尽管我们想认為(wèi)電(diàn)容器的行為(wèi)完全符合理(lǐ)论所指出的那样，但实际上并非如此。因此，有(yǒu)一个经验的RLC模型可(kě)用(yòng)来解释任何電(diàn)容器的行為(wèi)。

用(yòng)于電(diàn)容建模的等效RLC電(diàn)路

在此模型中，ESR和ESL分(fēn)别是等效串联電(diàn)阻和等效串联電(diàn)感。C的值可(kě)以视為(wèi)组件数据表中引用(yòng)的電(diàn)容。最后，R的值说明了形成電(diàn)容器的電(diàn)介质的電(diàn)导率。这说明了在電(diàn)容器充電(diàn)并从電(diàn)路中移除后在任何電(diàn)容器中都会发生的瞬态泄漏。该值通常足够大，可(kě)以忽略。

在此模型中（忽略R），假设连接到電(diàn)路两端的负载為(wèi)0欧姆，则值（ESR /（2 * ESL））是等效電(diàn)路的阻尼常数。这决定了在完全充電(diàn)/放電(diàn)情况下電(diàn)路对输入電(diàn)压变化的响应速度。您应该检查電(diàn)容器的数据表，以便可(kě)以计算阻尼常数。

如果要断开具有(yǒu)更快开关速度的数字電(diàn)路的去耦，那么您将需要选择一个具有(yǒu)等效阻尼常数的電(diàn)容器，该電(diàn)容器会严重阻尼或稍微过阻尼该電(diàn)路，以抑制放電(diàn)期间的振铃。只要放電(diàn)速率短于开关时间，那么去耦電(diàn)容器将能(néng)够快速补偿電(diàn)压波动。

调整数字IC的总去耦電(diàn)容

注意，以上关于等效模型中的放電(diàn)速率的要点并未说明所需的電(diàn)容。确定总去耦電(diàn)容大小(xiǎo)的一种方法是考虑需要传递给IC的最大電(diàn)荷量，应将電(diàn)荷传递给IC的速度以及要补偿的電(diàn)压波动的大小(xiǎo)。由于大多(duō)数负载都是電(diàn)容性的，因此可(kě)以将到达负载的電(diàn)流与信号電(diàn)压从OFF变為(wèi)ON的速率相关（反之亦然）：

请注意，您可(kě)以将类似的技术应用(yòng)于纯電(diàn)阻或電(diàn)感负载。让我们看一下具有(yǒu)多(duō)个开关输出的数字IC上的容性负载。

示例：具有(yǒu)12个输出的数字IC

展示如何将此公式用(yòng)于容性负载的最佳方法是一个示例。假设您有(yǒu)一个具有(yǒu)12个输出的数字IC，其中每个输出信号為(wèi)5 V，上升时间為(wèi)6 ns。每个输出驱动一个负载電(diàn)容為(wèi)50 pF的负载。如果将信号的上升时间近似為(wèi)線(xiàn)性，则上式中的导数可(kě)写為(wèi)dV = 5 V，dt = 6 ns。因此，每个输出所需的電(diàn)流為(wèi)：

示例IC的每个输出電(diàn)流

如果将全部12个输出同时从高電(diàn)平切换到低電(diàn)平，则来自接地层的总電(diàn)流涌入為(wèi)500 mA。这种涌入会引起接地平面電(diàn)势的变化，从而导致信号電(diàn)势的变化，并且電(diàn)容器应补偿信号電(diàn)势的这种变化。如果我们假设ON状态的阈值為(wèi)4.5 V，则為(wèi)了防止误码，需要补偿的電(diàn)压降為(wèi)0.5V。此外，必须在6 ns之内进行补偿。因此，最小(xiǎo)去耦電(diàn)容為(wèi)：

示例去耦電(diàn)容器的最小(xiǎo)電(diàn)容

在这里，您至少应使用(yòng)6 nF電(diàn)容器在6 ns内补偿最大0.5 V電(diàn)压。请注意，在本示例中，一些准则会建议并联使用(yòng)两个3 nF電(diàn)容器，因為(wèi)这会将ESR降低2倍，但也将ESL降低2倍，因此对阻尼的影响為(wèi)零。如果電(diàn)容器的响应衰减不足，则可(kě)以选择使用(yòng)更大的電(diàn)容器，因為(wèi)这样会使响应更接近临界阻尼或过度衰减的情况。但是，并联使用(yòng)两个電(diàn)容器有(yǒu)助于使PDN网络的阻抗谱在電(diàn)容器的谐振频率附近变平。

可(kě)以将类似的方法应用(yòng)于電(diàn)源总線(xiàn)上的去耦電(diàn)容器，尽管您需要考虑纹波電(diàn)压（或开关電(diàn)源的开关速度），输出中的整體(tǐ)噪声谱以及PDN阻抗等因素。它还有(yǒu)助于了解電(diàn)感在PDN中的作用(yòng)，无论是寄生電(diàn)感还是故意放置的组件。

随着電(diàn)路板工作在更低的水平，更高的数据速率和更严格的噪声要求下，每个设计人员都应拥有(yǒu)所需的工具，以选择并放置PCB的旁路和去耦電(diàn)容器。