中心議題：

• 電容的插入損耗特性
  、頻率響應特性與電容的濾波特性分析
• 利用電容模型分析PCB中的環流問題
• 電源擾動及地彈噪聲的產生機理

• 器件電源管腳旁路電容的放置
• 理想電容的插入損耗特性分析

隨(sui)著(zhe)係(xi)統(tong)體(ti)積(ji)的(de)減(jian)小(xiao)，工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，係(xi)統(tong)的(de)功(gong)能(neng)複(fu)雜(za)化(hua)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)不(bu)同(tong)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)同(tong)時(shi)工(gong)作(zuo)。隻(zhi)有(you)各(ge)個(ge)模(mo)塊(kuai)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)EMC和較低的EMI，cainengbaozhengzhenggexitonggongnengdeshixian。zhejiuyaoqiuxitongzishenbujinxuyaojuyoulianghaodepingbiwaijieganraodexingneng
，tongshihaiyaoqiuzaiheqitadexitongtongshigongzuoshi
，bunengduiwaijiechanshengyanzhongdeEMI。另外，開關dianyuanzaigaosushuzixitongshejizhongdeyingyongyuelaiyueguangfan，yigexitongzhongwangwangxuyaoyongdaoduozhongdianyuan。bujindianyuanxitongrongyishoudaoganrao
，erqiedianyuangongyingshichanshengdezaoshenghuigeizhenggexitongdailaiyanzhongdeEMC問題。因此

，在高速PCB設she計ji中zhong

，如ru何he更geng好hao的de濾lv除chu電dian源yuan噪zao聲sheng是shi保bao證zheng良liang好hao電dian源yuan完wan整zheng性xing的de關guan鍵jian。本ben文wen分fen析xi了le電dian容rong的de濾lv波bo特te性xing
，電dian容rong的de寄ji生sheng電dian感gan電dian容rong的de濾lv波bo性xing能neng帶dai來lai的de影ying響xiang，以yi及jiPCBzhongdedianliuhuanxianxiang，jierzhenduiruhexuanzepangludianrongzuochuleyixiezongjie。benwenhaizhezhongfenxiledianyuanzaoshenghedidanzaoshengdechanshengjilibingzaiqijichushangduipangludianrongzaiPCB中的各種擺放方式做出了分析和比較。

電容的插入損耗特性、頻率響應特性與電容的濾波特性

1理想電容的插入損耗特性
　
EMI電源濾波器對幹擾噪聲的抑製能力通常用插入損耗（InsertionLoss）特性來衡量。插入損耗的定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸到負載的噪聲功率P1和接入濾波器後
，噪聲源傳輸到負載的噪聲功率P2之比，用dB（分貝）表示。圖1是理想電容的插入損耗特性
，可以看出，1μF電容對應的插入損耗曲線斜率接近20dB/10倍頻。


觀察其中某一條插入損耗特性，當頻率增加時
，電容的插入損耗值是增加的，也就是說P1/P2zhishizengjiade，zheyiweizhexitongtongguodianronglvboyihou

，nenggouchuanshudaofuzaidezaoshengjianshao
，dianronglvchugaopinzaoshengdenenglizengqiang。conglixiangdianrongdegongshifenxi，dangdianrongyidingshi，xinhaopinlvyuegao
，huiluzukangyuedi，yejidianrongyiyulvchugaopindechengfen。conglianggefangmiandechudejielunshixiangtongde。
　　
zaiguanchabutongdianrongsuoduiyingdequxian，zaipinlvhendideqingkuangxia，gezhongdianrongsuoduiyingdecharusunhaozhishijinsixiangtongde，danshisuizhepinlvdezengjia
，xiaodianrongdecharusunhaozhizengjiadefudujiaodadianrongyaomanyixie
，P1/P2值增加得也就較慢，也就是說大電容更容易濾除低頻噪聲。因而我們在設計高速電路板時，通常在電路板的電源接入端放置一個1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1μF的電容
，濾除高頻噪聲。
　　
連接在電源和地之間的電容的阻抗可由如下公式計算：，電dian容rong濾lv波bo的de目mu的de是shi濾lv除chu疊die加jia在zai電dian源yuan係xi統tong中zhong的de交jiao流liu成cheng分fen，從cong上shang麵mian的de公gong式shi可ke以yi看kan出chu
，當dang頻pin率lv一yi定ding時shi
，電dian容rong值zhi越yue大da
，回hui路lu中zhong的de阻zu抗kang就jiu越yue小xiao，這zhe樣yang交jiao流liu信xin號hao就jiu越yue容rong易yi通tong過guo電dian容rong流liu到dao地di平ping麵mian上shang去qu
，換huan句ju話hua說shuo，即ji似si乎hu電dian容rong值zhi越yue大da其qi濾lv波bo效xiao果guo越yue好hao，事shi實shi上shang並bing非fei如ru此ci，因yin為wei實shi際ji電dian容rong並bing不bu具ju有you理li想xiang電dian容rong的de所suo有you特te性xing。實shi際ji電dian容rong存cun在zai寄ji生sheng成cheng分fen，這zhe是shi構gou造zao電dian容rong器qi極ji板ban和he引yin線xian時shi所suo形xing成cheng的de
，而er這zhe些xie寄ji生sheng成cheng分fen可ke等deng效xiao為wei串chuan聯lian在zai電dian容rong上shang的de電dian阻zu與yu電dian感gan，通tong常chang稱cheng之zhi為wei等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu（ESR）和等效串聯電感(ESL)，其模型如圖2的左半部分所示。如果忽略電容的寄生電阻則模型可等效為圖2的右半部分。這樣電容實際上就是一個串聯諧振電路。在實際的電路或者PCB設計中
，電容寄生電感的存在將對電容的濾波性能帶來很大的影響
，因此在係統設計時應該選擇寄生電感比較小的電容。



2實際電容的高頻響應特性
　　
從2.1節我們知道，實際電容在工作時由於存在寄生電感的緣故，使得電容回路成為一個串聯諧振回路。諧振頻率為
，式中：L為等效電感；C為實際電容。如圖3所示，當頻率小於f0時
，呈現為電容


；頻率大於f0時，呈現為電感。所以，電容器更像是一個帶阻濾波器，而不是一個低通濾波器。電容的ESL和ESR是shi由you電dian容rong的de構gou造zao和he所suo用yong介jie質zhi材cai料liao決jue定ding的de，與yu電dian容rong容rong量liang無wu關guan。對dui於yu高gao頻pin的de抑yi製zhi能neng力li並bing不bu會hui因yin為wei更geng換huan大da容rong量liang的de同tong類lei型xing電dian容rong而er增zeng強qiang。更geng大da容rong量liang的de同tong類lei型xing電dian容rong器qi的de阻zu抗kang在zai頻pin率lv低di於yuf0時，比小容量電容器的阻抗小，但是，當頻率大於f0時，ESL決定了二者的阻抗沒有差別。可見，為了改進高頻濾波特性
，必須使用具有較低ESL的(de)電(dian)容(rong)器(qi)。任(ren)何(he)一(yi)種(zhong)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)有(you)效(xiao)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)是(shi)有(you)限(xian)的(de)，而(er)對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)，既(ji)有(you)低(di)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)，又(you)有(you)高(gao)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)，所(suo)以(yi)通(tong)常(chang)要(yao)用(yong)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)電(dian)容(rong)並(bing)聯(lian)來(lai)達(da)到(dao)更(geng)寬(kuan)的(de)有(you)效(xiao)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)。


利用電容模型分析PCB中的環流問題
　　
電(dian)源(yuan)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)放(fang)置(zhi)位(wei)置(zhi)不(bu)當(dang)將(jiang)會(hui)在(zai)印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)產(chan)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)電(dian)流(liu)環(huan)。為(wei)了(le)減(jian)少(shao)噪(zao)聲(sheng)
，在(zai)高(gao)速(su)印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)設(she)計(ji)當(dang)中(zhong)，有(you)一(yi)個(ge)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)原(yuan)則(ze)是(shi)：減少信號電流環的麵積。過去我們習慣於隻考慮電流的流出起點、途tu徑jing及ji終zhong點dian

，而er很hen少shao去qu考kao慮lv電dian流liu的de返fan回hui路lu徑jing。在zai高gao頻pin電dian路lu中zhong
，通tong常chang認ren為wei電dian源yuan和he地di是shi等deng價jia的de，因yin此ci電dian流liu的de流liu出chu途tu徑jing和he返fan回hui途tu徑jing將jiang形xing成cheng一yi個ge電dian流liu環huan，在zai這zhe些xie電dian流liu環huan中zhong，會hui由you於yu種zhong種zhong原yuan因yin，例li如ru電dian容rong的de寄ji生sheng電dian感gan
，PCBlianxiandeguyoudiangandeng，shidehuanludezukangbuweiling

，zheyangdianliuliujingzheyihuanlushijiangchanshengdianshicha，ruguodianliushibianhuade
，zejiangchanshengfushe
，duixitongchanshengganrao。weilegeidianyuanlvbo，zaidianlushejizhongchangchangyaozaidianyuanhedizhijianjiashangyixiepangludianrong，zaihuiluzhongzengjiapangludianrongzhuyaoyoulianggemude，yishizengjiahuanluzhongcunchudianhedenengli，yimianshunjiandianliuguoda，chanshengdidanzaosheng。ershishidangdefangzhipangludianrongdeweizhi，keweizaoshengxinhaotigongjiujindedihuilu，jianshaodianliuhuanludemianji
，congerjianshaolehuanludediangan。caiyonglepangludianrongdehuiluzhong，youyuyulvchudezaoshengpinlvtongchangshigaopinjiaoliuxinhao，yinerzheyangdehuilurengjiujianghuiduiwaichanshengfushe。weilejianshaozheyifushe
，womenxuyaojinkenengdejiangdihuiludezukang，bixuhelifangzhipangludianrongdeweizhi。tu4顯示了由於濾波電容放置位置不當產生的大電流環。
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圖5為wei電dian流liu環huan的de模mo型xing。從cong電dian流liu環huan模mo型xing中zhong我wo們men可ke以yi看kan出chu，環huan路lu中zhong存cun在zai寄ji生sheng電dian感gan，它ta們men在zai高gao頻pin狀zhuang態tai下xia表biao現xian為wei環huan路lu的de阻zu抗kang可ke導dao致zhi供gong給gei電dian源yuan產chan生sheng尖jian峰feng，並bing會hui輻fu射she電dian磁ci波bo從cong而er幹gan擾rao係xi統tong的de其qi他ta部bu分fen。環huan路lu中zhongLl為電容管腳引線的封裝電感

；Lpc為電容管腳到器件電源或者地管腳之間的PCB傳輸線的寄生電感
；Lic為器件管腳引線的寄生電感。另外，在前麵我們討論過電容本身也是具有寄生電感ESL的。這樣回路的總電感為：L＝2Ll+2Lpc+2Lic+ESL。由(you)於(yu)環(huan)路(lu)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)將(jiang)會(hui)給(gei)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)帶(dai)來(lai)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)，產(chan)生(sheng)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)，這(zhe)個(ge)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)值(zhi)同(tong)串(chuan)聯(lian)電(dian)感(gan)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)關(guan)係(xi)，近(jin)似(si)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)如(ru)下(xia)：

這裏V為最大噪聲電壓尖峰值
，△t為瞬態持續時間
，△I為器件瞬態電流，△t、△I值可以從器件手冊中查得。例如74HC的瞬態電流典型值Icc為20mA，輸出信號從零上升到Icc或者從Icc下降到零需要的時間為4ns
，如果現在我們試圖控製感性噪聲的尖峰在100mV以內，那麼由上麵的公式我們可以求得串聯電感L的最大值不超過20nH。在PCB板設計時，設計者可以通過以下幾種方式來降低回路電感：選擇寄生電感比較小的電容，降低ESL（不同型號電容的寄生電感值見表1）；盡量使用貼片電容以減小電容引線長，降低Ll值
；合理的放置電容
，使用電源層或地平麵層代替電源或者地傳輸線，減小電源地傳輸線電感Lpc
；合理選擇集成器件的封裝
，以降低Lic值
，比如對於器件ADV478來說，PLCC封裝的寄生電感比DIP封裝的寄生電感要小2nH到3nH。
　　
電源擾動及地彈噪聲的產生機理
　　
圖6為一個簡單的圖騰柱I/O口電路
，驅動一個串聯源端匹配的傳輸線。圖中LV和LG為器件電源管腳和地管腳的封裝電感，A、Bweilianggechangxiaoyingguan
，zuoweikaiguanshiyong。jiashechushishikechuanshuxianshanggediandedianyahedianliujunweiling，zaimouyishikeqijianjiangqudongchuanshuxianweigaodianping
，zheshihouqijianjiuxuyaocongdianyuanguanjiaoxishoudianliu。zaishijiant1，合上開關A


，電流從PCB板上的VCC流入，流經封裝電感LV，跨越開關A，串聯終端電阻
，然後流入傳輸線，輸出電流幅度為（1/2）VCC/Z0。電流在傳輸線網絡上持續一個完整的輪回（round-trip）時間，在時間t2結束。至此以後，整個傳輸線處於電荷充滿狀態，不需要額外流入電流來維持。當電流瞬間湧過封裝電感LV時，將在結點V1處導致芯片電壓的擾動。在時間t3，關閉開關A，這一動作不會導致脈衝噪聲的產生，因為在開關A打開的瞬間是沒有電流流過的。同時，合上開關B
，這時傳輸線、地平麵、封裝電感LG以及開關B形成一環路

，有瞬間電流流過開關B，這樣在結點G1處產生地彈擾動。如果在V1和G1之間加上一旁路電容（放置在芯片內部）的話，可以使得V1點處和G1點處的瞬態電壓擾動相同，這樣在每一次開關切換時，V1點和G1點均會產生電壓擾動，然而幅度將會減半。


在高速PCBshejizhong，zaidianyuanguanjiaofujinfangzhilvbodianrongjiushiweilexiaochudianyuanraodongyijididanzaoshengde。xitongjiashangpangludianrongyihou，youyudianrongjishengdiangandecunzai，huanludezongdianganjiangzengjia
，kenengchanshengdezaoshengqiangduyejiuhuigengda。yincishejizheyinggaijinkenengdexuanzejishengdianganxiaodepangludianrongbinghelidejiangqifangzhizaiPCB中。
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器件電源管腳旁路電容的放置
　　
當dang電dian流liu在zai瞬shun間jian通tong過guo器qi件jian電dian源yuan管guan腳jiao流liu入ru器qi件jian或huo者zhe通tong過guo地di管guan腳jiao流liu入ru地di時shi，由you於yu器qi件jian封feng裝zhuang電dian感gan的de存cun在zai以yi及ji電dian源yuan供gong給gei環huan路lu中zhong電dian感gan的de存cun在zai，將jiang會hui產chan生sheng電dian源yuan擾rao動dong和he地di彈dan噪zao聲sheng，因yin此ci需xu要yao在zai電dian源yuan管guan腳jiao附fu近jin放fang置zhi濾lv波bo電dian容rong以yi達da到dao消xiao除chu電dian源yuan擾rao動dong以yi及ji地di彈dan噪zao聲sheng目mu的de。

從上文可知，電源擾動和地彈噪聲主要來自於芯片的引腳，由於芯片的輸出阻抗（芯片的電源或者地管腳的輸出阻抗）一般要比電源平麵或者地平麵的阻抗大得多（如果不是這樣的話，將會有大量的電源
、地噪聲產生），因(yin)此(ci)可(ke)將(jiang)芯(xin)片(pian)看(kan)作(zuo)一(yi)個(ge)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)，對(dui)於(yu)一(yi)塊(kuai)合(he)理(li)設(she)計(ji)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)而(er)言(yan)，無(wu)論(lun)在(zai)什(shen)麼(me)時(shi)候(hou)
，當(dang)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)的(de)阻(zu)抗(kang)比(bi)負(fu)載(zai)大(da)得(de)多(duo)的(de)時(shi)候(hou)

，噪(zao)聲(sheng)源(yuan)可(ke)以(yi)看(kan)作(zuo)一(yi)個(ge)電(dian)流(liu)源(yuan)
，它(ta)將(jiang)灌(guan)入(ru)一(yi)定(ding)量(liang)的(de)電(dian)流(liu)到(dao)電(dian)源(yuan)或(huo)者(zhe)地(di)係(xi)統(tong)中(zhong)。為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)電(dian)源(yuan)或(huo)者(zhe)地(di)噪(zao)聲(sheng)
，就(jiu)需(xu)要(yao)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)來(lai)減(jian)小(xiao)灌(guan)入(ru)到(dao)電(dian)源(yuan)或(huo)者(zhe)地(di)平(ping)麵(mian)當(dang)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)。為(wei)了(le)切(qie)實(shi)做(zuo)到(dao)這(zhe)一(yi)點(dian)
，理(li)論(lun)上(shang)需(xu)要(yao)將(jiang)電(dian)源(yuan)或(huo)者(zhe)地(di)管(guan)腳(jiao)串(chuan)聯(lian)一(yi)個(ge)阻(zu)抗(kang)，這(zhe)個(ge)阻(zu)抗(kang)必(bi)須(xu)足(zu)夠(gou)大(da)，最(zui)好(hao)比(bi)芯(xin)片(pian)電(dian)源(yuan)地(di)管(guan)腳(jiao)的(de)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)還(hai)大(da)。但(dan)串(chuan)聯(lian)這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)大(da)的(de)阻(zu)抗(kang)是(shi)不(bu)現(xian)實(shi)的(de)，因(yin)為(wei)如(ru)果(guo)這(zhe)樣(yang)的(de)話(hua)，將(jiang)會(hui)在(zai)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)產(chan)生(sheng)更(geng)大(da)的(de)地(di)彈(dan)噪(zao)聲(sheng)或(huo)者(zhe)電(dian)源(yuan)擾(rao)動(dong)
，導(dao)致(zhi)芯(xin)片(pian)不(bu)能(neng)夠(gou)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。因(yin)此(ci)正(zheng)確(que)的(de)做(zuo)法(fa)還(hai)應(ying)該(gai)是(shi)設(she)法(fa)將(jiang)噪(zao)聲(sheng)通(tong)過(guo)低(di)阻(zu)抗(kang)的(de)回(hui)路(lu)引(yin)到(dao)地(di)平(ping)麵(mian)上(shang)去(qu)。通(tong)常(chang)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)給(gei)芯(xin)片(pian)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)腳(jiao)加(jia)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)。下(xia)麵(mian)簡(jian)單(dan)的(de)分(fen)析(xi)了(le)電(dian)容(rong)的(de)四(si)種(zhong)放(fang)置(zhi)方(fang)式(shi)。
　　
如圖7及圖8(a)所示，為旁路電容的一種放置方式。將芯片的地管腳直接通過一個低阻抗的過孔D(一般過孔的寄生電感約為1～2nH)lianjiedaodipingmianshang，zheyangxinpiandiguanjiaoshangdedidanzaoshengjiangtongguoguokongliurudaodipingmianshang，yizhiledidanzaoshengduixinpiandeyingxiang。xinpiandedianyuanguanjiaotongguoyixiaoduanchuanshuxian（通常約為50～80mil長，寄生電感約為1～1.6nH）連lian接jie到dao電dian容rong的de電dian源yuan盤pan墊dian上shang，電dian容rong的de電dian源yuan盤pan墊dian和he地di盤pan墊dian直zhi接jie通tong過guo過guo孔kong連lian接jie到dao電dian源yuan平ping麵mian和he地di平ping麵mian上shang
，這zhe樣yang電dian源yuan管guan腳jiao到dao地di平ping麵mian之zhi間jian也ye將jiang有you一yi條tiao低di阻zu抗kang的de通tong路lu，有you效xiao的de克ke服fu了le電dian源yuan管guan腳jiao上shang的de電dian源yuan噪zao聲sheng對dui芯xin片pian的de影ying響xiang。同tong時shi旁pang路lu電dian容rong附fu近jin的de電dian源yuan層ceng上shang的de噪zao聲sheng也ye將jiang通tong過guo過guo孔kongB、旁路電容、過孔C這樣一條低阻抗通道流入到地平麵上，這樣的放置方式有效的抑製了噪聲對芯片以及電源和其他係統的影響。


如圖8(b)所示，將過孔B放在電容電源管腳和芯片電源管腳之間，這樣將增加通路A的環路電感，當電容和芯片不是位於同一層時，一般采用這種方式。

如圖8(c)所示，將電容電源管腳處的電源過孔B改打到接近芯片電源管腳A處
，這種放置方式類似於上述第二種放置方式
，將導致環路電感的增加，此方式應避免。
　　
如圖8(d)suoshiqudiaodianrongdianyuanguanjiaohexinpiandianyuanguanjiaozhijiandechuanshuxian，erjiangxinpiandianyuanguanjiaozhijietongguoyigeguokonglianjiedaodipingmianshang

，dianrongdianyuanguanjiaohexinpiandianyuanguanjiaozhijiantongguodadedianyuanpingmianlianjiedaoyiqi，zheyangtongluA包括：兩個過孔、一個電源平麵

、一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)，也(ye)同(tong)樣(yang)增(zeng)加(jia)了(le)環(huan)路(lu)的(de)電(dian)感(gan)
，而(er)且(qie)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)對(dui)電(dian)源(yuan)平(ping)麵(mian)帶(dai)來(lai)不(bu)可(ke)預(yu)知(zhi)的(de)影(ying)響(xiang)
，另(ling)外(wai)還(hai)增(zeng)加(jia)了(le)過(guo)孔(kong)的(de)數(shu)量(liang)，減(jian)少(shao)了(le)板(ban)子(zi)上(shang)的(de)布(bu)線(xian)麵(mian)積(ji)。此(ci)方(fang)式(shi)也(ye)應(ying)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)。

當前數字係統板級頻率越來越高，各種EMI問題也越來越嚴重。合理的選擇和使用旁路電容是消除EMI
、獲huo得de電dian源yuan完wan整zheng性xing的de一yi個ge關guan鍵jian方fang麵mian。而er且qie
，隨sui著zhe半ban導dao體ti技ji術shu的de進jin一yi步bu發fa展zhan
，電dian容rong也ye在zai不bu同tong的de更geng新xin換huan代dai以yi滿man足zu高gao速su電dian路lu設she計ji的de要yao求qiu。因yin此ci，旁pang路lu電dian容rong選xuan擇ze、旁路電容的擺放等問題需要不斷的進行深入探討。