通過(guò)一次關(guān)于基本知識(shí)的對(duì)話(huà)，讓我們深入考察那沒(méi)有什么魅力但是極其關(guān)鍵的旁路電容和去耦電容。

 編輯引言：旁路電容是關(guān)注度低、沒(méi)有什么魅力的元器件，一般來(lái)說(shuō)，在許多專(zhuān)題特寫(xiě)中不把它作為主題，但是，它對(duì)于成功、可靠和無(wú)差錯(cuò)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。來(lái)自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz參加了關(guān)于該主題的進(jìn)一步對(duì)話(huà)。本文是對(duì)話(huà)的第一部分。Dave和Tamara信仰辯論的價(jià)值、教育的價(jià)值以及謙虛地深入討論核心問(wèn)題的價(jià)值；簡(jiǎn)而言之，為了獲取知識(shí)而展開(kāi)對(duì)一個(gè)問(wèn)題的討論。下面請(qǐng)“聆聽(tīng)”并學(xué)習(xí)。

 David: 有一種觀(guān)念認(rèn)為，當(dāng)我們做旁路設(shè)計(jì)時(shí)，我們對(duì)低頻成分要采用大電容(微法級(jí))，而對(duì)高頻成分要采用小電容(納法或皮法級(jí))。

 Tamara: 我贊成，那有什么錯(cuò)嗎？

 David: 那聽(tīng)起來(lái)很好并且是有意義的，但是，問(wèn)題在于當(dāng)我在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證那個(gè)規(guī)則時(shí)并未得到我們想要的結(jié)果！我要向您發(fā)出挑戰(zhàn)，Tamara博士。

 Tamara: 好??！我無(wú)所畏懼。

 David: 讓我們看看，你有一個(gè)電壓調(diào)整器并且它需要電源。電源線(xiàn)具有一些串聯(lián)阻抗(通常是電感以及電阻)，這樣對(duì)于短路來(lái)說(shuō)，它在瞬間提供的電流就不會(huì)出現(xiàn)大變化。它需要有一個(gè)局部電容供電，如圖1所示。

 
圖1：旁路電容的功能。

 Tamara: 我到目前均贊成你的觀(guān)點(diǎn)。那就是旁路的定義。Dave，接著說(shuō)吧。

 David: 例如，有些人可能用0.1 μF電容進(jìn)行旁路。他們也可能用一個(gè)1000pF的電容緊挨著它以處理更高的頻率。如果我們已經(jīng)采用了一個(gè)0.1 μF的電容，那么，緊挨著它加一個(gè)1000pF電容就沒(méi)有意義。它會(huì)增加1%的容值，誰(shuí)會(huì)在意？

 Tamara: 然而，除了電容值之外，有更多要研究的內(nèi)容。這兩種數(shù)值的電容均不理想。

 David: 我們必須考察0.1 μF的實(shí)際電路；它存在有效串聯(lián)電阻(ESR)以及有效串聯(lián)電感(ESL)。

 Tamara: 有時(shí)候，你還要把介質(zhì)損耗一項(xiàng)當(dāng)成一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)考慮，如圖2所示。

 
圖2：旁路電容的模型。

 David: 現(xiàn)在，當(dāng)我們遇到具有瞬態(tài)特性的這一損耗時(shí)，我們假設(shè)0.1 μF電容的ESL遠(yuǎn)遠(yuǎn)大約1000pF的電容。我們需要某一器件在短期內(nèi)供電，因ESL的存在而讓0.1 μF的電容做不到這一點(diǎn)。假設(shè)就在于1000pF的電容具有更低的ESL，因此，能夠提供更好的電流。

 Tamara: ESL與你獲得以及封裝的電容的類(lèi)型有關(guān)。其數(shù)值可能完全獨(dú)立于電容本身的尺寸和數(shù)值，如圖3所示。

 David: (顯示出對(duì)年輕同事所具有的知識(shí)的驚訝)

 Tamara: 我曾經(jīng)看到過(guò)一些人把100 nF、10 nF和1 nF的電容分級(jí)并聯(lián)起來(lái)使用，它們可能均采用相同的封裝，例如0402，因?yàn)檫@些電容通常就是采用這種封裝形式。然而，每一種0402封裝均具有相同的ESL，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤碾姼幸约跋嗤母哳l響應(yīng)，因此，這么安裝電容于事無(wú)補(bǔ)。

 
圖3：旁路電容的阻抗。

 David: 我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在于，各種封裝均是類(lèi)似的。我們所采用的大多數(shù)陶瓷電容均為面積是0805或0603的電容。我測(cè)試發(fā)現(xiàn)，把0603 0.1 μF電容挨著0603 100pF電容安裝，效果上不如僅僅采用兩個(gè)0603 0.1 μF的電容。

Tamara: 那是完全有可能。我猜測(cè)，你所處的頻率范圍就是0603 0.1 μF電容被最優(yōu)化的頻率范圍。

 
圖4：相同尺寸和不同尺寸的電容的阻抗比較。

 David: 是的，ESR和ESL是原數(shù)值的一半且非常管用。在這些應(yīng)用中，我所研制的開(kāi)關(guān)調(diào)整器的工作頻率大約為1MHz。

 Tamara: 在你的情況下，要調(diào)整電容的數(shù)值以及封裝，以改善對(duì)你沒(méi)有興趣的那個(gè)頻率范圍的旁路網(wǎng)絡(luò)。圖4假設(shè)我們談?wù)摰氖窍嗤?lèi)型的電容(陶瓷電容)。其它類(lèi)型的電容—如鉭電容—具有更高的ESR，因此，整個(gè)曲線(xiàn)突起。另一方面，有時(shí)可能全部要采用鉭電容。

 David: 我們現(xiàn)在講講歷史。過(guò)去，人們采用他們手上能用的一切元器件。那時(shí)，你無(wú)法獲得封裝小的100 μF電容，你不得不通過(guò)縮短旁路電容器上的引線(xiàn)來(lái)改善旁路網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)今的大電容的尺寸正逐漸縮小類(lèi)似于較小電容所具有的尺寸。當(dāng)你開(kāi)始認(rèn)真考慮選擇一只0.1 μF電容時(shí)，你肯定選擇0603的封裝，并且，最終會(huì)選擇0402封裝的電容(因?yàn)槲覜](méi)有看過(guò)0402封裝的電容，我傾向于不采用那些電容)。

 Tamara: 按照分級(jí)封裝的階梯電容(stepped capacitor)的確切含義來(lái)自于賽靈思公司的討論。他們的FPGA被用于各種各樣的應(yīng)用之中，并且，他們?cè)O(shè)法測(cè)試了所有的條件。因此，他們?cè)诟哌_(dá)5Gsps的寬頻帶內(nèi)需要一種低阻抗電容對(duì)電源旁路。另一方面，你需要一種較低帶寬的解決方案。

 David: 我的評(píng)論全部來(lái)自較之于比賽靈思的速度更低的電源應(yīng)用。你的辯論非常聰明，因?yàn)槟阒傅氖欠庋b尺寸，而其他人沒(méi)有那么深入的思考。他們通常所，高頻需要小電容，而低頻需要大電容。

 Tamara: 啊，真是的，我要臉紅了。

 David: 我的旁路事業(yè)一直是非常令人厭煩的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)時(shí)間內(nèi)，規(guī)則就是用0.1 μF電容旁路每一個(gè)芯片，那就管用了。

 Tamara: 那不僅僅與封裝有關(guān)，而且還與布局有關(guān)。

 David: 絕對(duì)正確!我循著電路板上的電流路線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電路板上存在電感。在任何電流路徑上的電感與該路徑的閉環(huán)面積呈正比。因此，當(dāng)你圍繞一個(gè)區(qū)域?qū)υ骷M(jìn)行布局時(shí)，你需要把元器件緊湊地布局。那就是你為什么把元器件保持緊湊布局的原因—保持電感為低。然后，選擇具有良好ESL和ESR的電容。我希望對(duì)于它有更多的設(shè)計(jì)藝術(shù)，但是，它的確是實(shí)用證明正確的少數(shù)的簡(jiǎn)單規(guī)則之一。

 Tamara: 當(dāng)然，你可以購(gòu)買(mǎi)具有較低ESL和ESR的電容，但是，他們通常比標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷電容更為昂貴。

 David: 在大多數(shù)情形下，與每一塊芯片盡可能接近的0.1 μF旁路電容仍然非常管用。

 (未完待續(xù))