我們在電源濾波電路上可以看到各種各樣的電容,比如100uF、10uF、100nF、10nF不同的容值。那么,這些參數是如何確定的呢?
數字電路要運行穩定可靠,電源一定要“干凈”,并且能量補充一定要及時,也就是濾波去耦一定要好。什么是濾波去耦?簡單地說,就是在芯片不需要電流的時候存儲能量,在需要電流的時候又能及時地補充能量。
有讀者看到這里會說,這個職責不是DC/DC、LDO的嗎?對,在低頻的時候它們可以搞定,但高速的數字系統就不一樣了。
下面,我們先來看看電容。
電容的作用,簡單來說就是存儲電荷。我們都知道,在電源中要加電容濾波,在每個芯片的電源腳放置一個0.1uF的電容去耦。但是,怎么有些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF或者0.01uF的,這里有什么講究嗎?
要搞懂這個問題,就要先了解電容的實際特性。理想的電容它只是一個電荷的存儲器,即C。而實際制造出來的電容,卻不是那么簡單了。分析電源完整性的時候,我們常用的電容模型如下圖所示。
在上圖中,ESR是電容的串聯等效電阻,ESL是電容的串聯等效電感,C才是真正的理想電容。ESR與ESL是由電容的制造工藝和材料決定的,沒辦法消除。
那么,這兩個東西對電路有什么影響呢?
ESR影響電源的紋波,ESL影響電容的濾波頻率特性。
電容的容抗:
Zc=1/ωC
電感的感抗:
Zl=ωL,ω=2πf
實際電容的復阻抗為:
Z=ESR+jωL-1/jωC=ESR+j2πf L-1/j2πf C
可見,當頻率很低的時候,是電容在起作用;而頻率高到一定程度時,電感的作用就不可忽視了;再高的時候,電感就起主導作用了,電容就失去濾波的作用了。所以記住,高頻的時候,電容就不是單純的電容了。實際電容的濾波曲線如下圖所示。
如上面所述,電容的等效串聯電感是由電容的制造工藝和材料決定的。實際的貼片陶瓷電容,ESL從零點幾nH到幾個nH不等,封裝越小,ESL就越小。
從上圖可以看出,電容的濾波曲線并不是平坦的,它像一個V。也就是說,有選頻特性。有時候,我們希望它越平越好(前級的板級濾波);而有時候,則希望它越尖越好(濾波或陷波)。
影響這個特性的,就是電容的品質因素Q:
Q=1/ωCESR
ESR越大,Q就越小,曲線就越平坦。反之,ESR越小,Q就越大,曲線就越尖。
通常情況下,鉭電容和鋁電解有比較小的ESL,而ESR大,所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍,非常適合前級的板級濾波。
也就是說,在DC/DC或者LDO的輸入級,常常用較大容量的鉭電容來濾波。而在靠近芯片的地方,放一些10uF和0.1uF的電容來去耦,陶瓷電容有很低的ESR。
說了這么多,到底在靠近芯片的管腳處放置0.1uF,還是0.01uF呢?列出下表以供參考。
所以,以后不要見到什么都放0.1uF的電容。有的高速系統中,這些0.1uF的電容根本就起不了作用。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:為什么MCU芯片附近要放一個0.1uF的電容?
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