中心議題：

• 電容器是用來減少EMI的主要器件
  ，寄生參數對電容器的性能有重要影響，而製造工藝決定了寄生參數
• 如何計算電容的阻抗和插入損耗之間的關係
• 如何計算不同電容的寄生參數

解決方案：

• 提供阻抗和插入損耗的關係及計算方法
• 介紹多層陶瓷電容器(MLCC)
  、引腳電容器、穿心電容器寄生參數的算法
  

長期以來
，一直使用旁路和去耦電容來減小PCB上產生的各種噪聲。由於成本相對較低，使用容易，還有一係列的量值可選用
，電容器常常是電路板上用來減小電磁幹擾(EMI)的(de)主(zhu)要(yao)器(qi)件(jian)。由(you)於(yu)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)，故(gu)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)選(xuan)擇(ze)要(yao)比(bi)其(qi)容(rong)量(liang)的(de)選(xuan)擇(ze)更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)。製(zhi)造(zao)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)方(fang)法(fa)很(hen)多(duo)，製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)決(jue)定(ding)了(le)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)的(de)大(da)小(xiao)。

電dian氣qi器qi噪zao聲sheng可ke以yi以yi許xu多duo不bu同tong的de方fang式shi引yin起qi。在zai數shu字zi電dian路lu中zhong，這zhe些xie噪zao聲sheng主zhu要yao由you開kai關guan式shi集ji成cheng電dian路lu，電dian源yuan和he調tiao整zheng器qi所suo產chan生sheng
，而er在zai射she頻pin電dian路lu中zhong則ze主zhu要yao由you振zhen蕩dang器qi以yi及ji放fang大da電dian路lu產chan生sheng。無wu論lun是shi電dian源yuan和he地di平ping麵mian上shang，還hai是shi信xin號hao線xian自zi身shen上shang的de這zhe些xie幹gan擾rao都dou將jiang會hui對dui係xi統tong的de工gong作zuo形xing成cheng影ying響xiang

，另ling外wai還hai會hui產chan生sheng輻fu射she。

本(ben)文(wen)將(jiang)重(zhong)點(dian)討(tao)論(lun)多(duo)層(ceng)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)，包(bao)括(kuo)表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)和(he)引(yin)腳(jiao)兩(liang)種(zhong)類(lei)型(xing)。討(tao)論(lun)如(ru)何(he)計(ji)算(suan)這(zhe)些(xie)簡(jian)單(dan)器(qi)件(jian)的(de)阻(zu)抗(kang)和(he)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)互(hu)關(guan)係(xi)。文(wen)中(zhong)還(hai)介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)些(xie)改(gai)進(jin)型(xing)規(gui)格(ge)的(de)測(ce)試(shi)，如(ru)引(yin)線(xian)電(dian)感(gan)和(he)低(di)頻(pin)電(dian)感(gan)，另(ling)外(wai)，還(hai)給(gei)出(chu)了(le)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)模(mo)型(xing)。這(zhe)些(xie)模(mo)型(xing)都(dou)是(shi)根(gen)據(ju)測(ce)得(de)的(de)數(shu)據(ju)導(dao)出(chu)的(de)，還(hai)介(jie)紹(shao)了(le)相(xiang)關(guan)的(de)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)。針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)的(de)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)，測(ce)試(shi)了(le)這(zhe)些(xie)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)
，並(bing)繪(hui)製(zhi)出(chu)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)阻(zu)抗(kang)曲(qu)線(xian)。
 
阻抗和插入損耗
所suo幸xing的de是shi，電dian容rong器qi還hai算suan簡jian單dan的de器qi件jian。由you於yu電dian容rong器qi是shi一yi個ge雙shuang端duan口kou器qi件jian
，故gu僅jin有you一yi種zhong方fang法fa與yu傳chuan輸shu線xian並bing接jie。不bu要yao將jiang該gai器qi件jian看kan作zuo一yi隻zhi電dian容rong器qi，更geng容rong易yi的de方fang法fa是shi將jiang其qi看kan作zuo為wei一yi個ge阻zu抗kang模mo塊kuai。當dang其qi與yu傳chuan輸shu線xian並bing聯lian時shi，甚shen至zhi可ke以yi將jiang其qi視shi作zuo為wei一yi個ge導dao納na模mo塊kuai(見圖1)。


圖1：將電容器視作為阻抗模塊。

這種連接方式的ABCD參數可以表示為：



然後，利用ABCD參數和散射(S)參數之間的關係，可以得到插入損耗S21的幅度為：



式中
，Z=阻抗幅度
，Z0=傳輸線阻抗 =阻抗模塊的相角。

有一些插入點可以來觀察方程2。首先，對於一個高性能的陶瓷電容器來說
，其相角在整個頻段中都非常接近±90°，隻有諧振點附近除外(見圖2)。


圖2：1000-pF陶瓷電容器的典型阻抗幅相特性。

已知±90°的餘弦接近0，故方程2可以被簡化為：



故該相角可以被忽略
，並且在絕大多數的頻譜上都能給出較好的結果。另一個很好的近似是當Z0>>Z時，方程3可以被進一步簡化為：


作為一個例子，表1中給出了對一隻1000-pF的旁路電容器測出的阻抗及由此計算出來的插入損耗。所有的插入損耗數據都基於50歐阻抗。如表中所給出，一旦電容器的阻抗開始增加到50歐，方程3將快速發生突變。


表1：1000-pF旁路電容器的阻抗和求得的插入損耗。

這些方程中的唯一問題就是需要知道一係列不同電容值的阻抗。
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多層陶瓷電容器(MLCC)串聯模型
對於MLCC電容器來說，最簡單的(當然也是最有效的)模型是串聯模型(見圖3)。



圖3：陶瓷電容器的等效串聯模型。

該模型給出了適用於絕大多數表麵貼裝MLCC的正確阻抗曲線。記住電容值將隨溫度和直流偏置而變化。等效串聯電(ESR)隨溫度、直流偏置和頻率變化，而等效串聯電感(ESL)卻基本保持不變。對阻抗來說，也許最重要的部分是諧振點，因為這是衰減最大的頻率。眾所周知，計算諧振頻率的公式是：



對於各類表麵貼裝的不同封裝的電感值
，可以利用方程2中所描述的測量技術來計算。例如，如果係統中產生了800MHz的噪聲，隨後可以在PCB上將其定位到一個確定的區域。選擇一個標稱容量為39pF的電容
，並將其安裝到盡可能靠近產生噪聲的地方
，這對於減小EMI來說，將是最好的選擇。減小矩形芯片電感的一個有效方式就是改進芯片縱長方向端頭的設計。所選電容器的阻抗曲線如圖4所示。注意通過改變縱橫比
，寄生電感減小了大約50%，即從1200pH減小到600pH。這有效地偏移開了最大衰減點
，故在利用這些器件來進行EMI濾波時隻需牢記這一點。



圖4：兩隻0.1 μF電容器的阻抗曲線比較。

低電感電容的最大優點體現在數字電路退耦中。利用如下簡單的電感方程：



利用低電感芯片來降低電感，可以減小集成電路中開關時所產生的總電壓噪聲。
 
引腳電容器
引腳電容相對於表麵貼裝電容器，除了增加了引腳之外
，其他並沒有什麼不同。其等效模型與MLCC模型一樣
，除了增加了引腳所產生的電感之外，見圖5。



圖5：引腳電容器的等效模型。

引腳所產生的電感對阻抗的影響如圖6所示。一個很好的經驗算法是
，電路板上每0.10"的引腳長度將產生2.5nH的電感。就像低電感電容器將頻率向高處偏移一樣，引腳器件將頻率往低端偏移。要實現最佳的EMI濾波，必須牢記這一點。



圖6；引腳長度對0.1 μF電容器的影響。

穿心電容器
更好的EMI防護器件是穿心電容器芯片。這是一個三端口表麵貼裝器件。圖7所示的是穿心電容器的等效電路。該結構在允許信號穿越器件的同時
，利用電容將EMI噪聲濾波到地。


圖7：穿心電容器的等效電路。

對(dui)於(yu)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)來(lai)說(shuo)，這(zhe)種(zhong)幾(ji)何(he)結(jie)構(gou)具(ju)有(you)幾(ji)個(ge)有(you)趣(qu)的(de)問(wen)題(ti)。首(shou)先(xian)
，電(dian)容(rong)器(qi)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)要(yao)比(bi)具(ju)有(you)等(deng)效(xiao)電(dian)容(rong)的(de)相(xiang)當(dang)尺(chi)寸(cun)的(de)片(pian)式(shi)電(dian)容(rong)器(qi)要(yao)小(xiao)得(de)多(duo)。可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)穿(chuan)心(xin)電(dian)容(rong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)，大(da)約(yue)為(wei)250pH。該相同的現象是在降低了電感的同時也降低了ESR(通道長度，通道長度，通道長度！)最後，穿通部分中電感的引入將增加衰減帶寬。圖8給出了一隻100pF的穿心電容和一個等效的標準片式電容之間的插入損耗比較。

圖8：100-pF穿心電容和100-pF串聯模型雙端口 MLCC之間的比較。

這裏所討論的表麵貼裝器件與傳統的穿牆安裝的
、采用圓盤式電容的穿心濾波器有直接關係。

該gai濾lv波bo器qi的de等deng效xiao電dian路lu與yu穿chuan心xin片pian式shi電dian容rong相xiang似si，不bu過guo圓yuan盤pan式shi的de形xing狀zhuang具ju有you更geng低di的de寄ji生sheng電dian感gan。信xin號hao通tong道dao或huo穿chuan越yue機ji箱xiang或huo外wai殼ke的de電dian源yuan線xian上shang所suo用yong的de濾lv波bo器qi對dui進jin入ru和he輸shu出chu的de噪zao聲sheng都dou予yu以yi衰shuai減jian。當dang係xi統tong內nei產chan生sheng高gao頻pin(>500MHz)時，可以用圓盤式的穿心濾波器來隔離不同的係統(如模擬或數字係統)
，以便消除有害的幹擾。

不過
，即便是再好的濾波方案也無法解決電路板設計低劣引起的問題。用長度過長，高感應的印刷線來連接電容器無疑將影響MLCC的諧振點。 如果將全頻段的所有噪聲都並聯入地，則地平麵就好像一個天線
，將會導致強輻射問題。 任何時候
，如果可能的話，應該使用多層板

，這樣，無論是電源還是地平麵都具有較大的麵積
，可以降低係統中所產生的EMI問題。