如何通過電源去耦來保持電源進入集成電路（IC）的各點的低阻抗？

諸如放大器和轉換器等模擬集成電路具有至少兩個或兩個以上電源引腳。對于單電源器件，其中一個引腳通常連接到地。如ADC和DAC等混合信號器件可以具有模擬和數字電源電壓以及I/O電壓。像FPGA這樣的數字IC還可以具有多個電源電壓，例如內核電壓、存儲器電壓和I/O電壓。

不管電源引腳的數量如何，IC數據手冊都詳細說明了每路電源的允許范圍，包括推薦工作范圍和最大絕對值，而且為了保持正常工作和防止損壞，必須遵守這些限制。

然而，由于噪聲或電源紋波導致的電源電壓的微小變化—即便仍在推薦的工作范圍內—也會導致器件性能下降。例如在放大器中，微小的電源變化會產生輸入和輸出電壓的微小變化，如圖1所示。

圖1. 放大器的電源抑制顯示輸出電壓對電源軌變化的靈敏度。

放大器對電源電壓變化的靈敏度通常用電源抑制比（PSRR）來量化，其定義為電源電壓變化與輸出電壓變化的比值。

圖1顯示了典型高性能放大器（OP1177）的PSR隨頻率以大約6dB/8倍頻程（20dB/10倍頻程）下降的情況。圖中顯示了采用正負電源兩種情況下的曲線圖。盡管PSRR在直流下是120dB，但較高頻率下會迅速降低，此時電源線路上有越來越多的無用能量會直接耦合至輸出。

如果放大器正在驅動負載，并且在電源軌上存在無用阻抗，則負載電流會調制電源軌，從而增加交流信號中的噪聲和失真。

盡管數據手冊中可能沒有給出實際的PSRR，數據轉換器和其他混合信號IC的性能也會隨著電源上的噪聲而降低。電源噪聲也會以多種方式影響數字電路，包括降低邏輯電平噪聲容限，由于時鐘抖動而產生時序錯誤。

適當的局部去耦在PCB上是必不可少的

典型的4層PCB通常設計為接地層、電源層、頂部信號層和底部信號層。表面貼裝IC的接地引腳通過引腳上的過孔直接連接到接地層，從而最大限度地減少接地連接中的無用阻抗。

電源軌通常位于電源層，并且路由到IC的各種電源引腳。顯示電源和接地連接的簡單IC模型如圖2所示。

圖2. 顯示走線阻抗和局部去耦電容的IC模型

IC內產生的電流表示為IT。流過走線阻抗Z的電流產生電源電壓VS的變化。如上所述，根據IC的PSR，這會產生各種類型的性能降低。

通過使用盡可能短的連接，將適當類型的局部去耦電容直接連接到電源引腳和接地層之間，可以最大限度地降低對功率噪聲和紋波的靈敏度。去耦電容用作瞬態電流的電荷庫，并將其直接分流到地，從而在IC上保持恒定的電源電壓。雖然回路電流路徑通過接地層，但由于接地層阻抗較低，回路電流一般不會產生明顯的誤差電壓。

圖3顯示了高頻去耦電容必須盡可能靠近芯片的情況。否則，連接走線的電感將對去耦的有效性產生不利影響。

圖3. 高頻去耦電容的正確和錯誤放置

圖3左側，電源引腳和接地連接都可能短，所以是最有效的配置。然而在圖3右側中，PCB走線內的額外電感和電阻將造成去耦方案的有效性降低，且增加封閉環路可能造成干擾問題。

選擇正確類型的去耦電容

低頻噪聲去耦通常需要用電解電容（典型值為1μF至100μF），以此作為低頻瞬態電流的電荷庫。將低電感表面貼裝陶瓷電容（典型值為0.01μF至0.1μF）直接連接到IC電源引腳，可最大程度地抑制高頻電源噪聲。所有去耦電容必須直接連接到低電感接地層才有效。此連接需要短走線或過孔，以便將額外串聯電感降至最低。

大多數IC數據手冊在應用部分說明了推薦的電源去耦電路，用戶應始終遵循這些建議，以確保器件正常工作。

鐵氧體磁珠（以鎳、鋅、錳的氧化物或其他化合物制造的絕緣陶瓷）也可用于在電源濾波器中去耦。鐵氧體在低頻下（<100kHz）為感性—因此對低通LC去耦濾波器有用。100kHz以上，鐵氧體成阻性（低Q）。鐵氧體阻抗與材料、工作頻率范圍、直流偏置電流、匝數、尺寸、形狀和溫度成函數關系。

鐵氧體磁珠并非始終必要，但可以增強高頻噪聲隔離和去耦，通常較為有利。這里可能需要驗證磁珠永遠不會飽和，特別是在運算放大器驅動高輸出電流時。當鐵氧體飽和時，它就會變為非線性，失去濾波特性。

請注意，某些鐵氧體甚至可能在完全飽和前就是非線性。因此，如果需要功率級，以低失真輸出工作，當原型在此飽和區域附近工作時，應檢查其中的鐵氧體。典型鐵氧體磁珠阻抗如圖4所示。

圖4. 鐵氧體磁珠的阻抗

在為去耦應用選擇合適的類型時，需要仔細考慮由于寄生電阻和電感產生的非理想電容性能。

審核編輯：湯梓紅