IC高频噪声太大？教你最优的去耦电容选型方法

　　电容及其寄生效应

　　图 1 所示为实际电容的模型。电阻 RP 代表绝缘电阻或泄漏，与标称电容(C)并联。第二个电阻 RS（等效串联电阻或 ESR）与电容串联，代表电容引脚和电容板的电阻。

图 1. 实际电容等效电路包括寄生元件

　　电感 L（等效串联电感或 ESL）代表引脚和电容板的电感。最后，电阻 RDA 和电容 CDA 一起构成称为电介质吸收(DA)现象的简化模型。在采样保持放大器(SHA)之类精密应用中使用电容时，DA 可造成误差。但在去耦应用中，电容的 DA 不重要，予以忽略。

　　图 2 显示了不同类型的 100 μF 电容的频率响应。理论上，理想电容的阻抗随着频率提高而单调降低。实际操作中，ESR 使阻抗曲线变得平坦。随着频率不断升高，阻抗由于电容的 ESL 而开始上升。"膝部"的位置和宽度将随着电容结构、电介质和电容值而变化。因此，在去耦应用中，常常可以看到较大值电容与较小值电容并联。较小值电容通常具有较低 ESL，在较高频率时仍然像一个电容。电容并联组合覆盖的频率范围比组合中任何一个电容的频率范围都要宽。

　　电容自谐振频率就是电容电抗(1/ωC)等于 ESL 电抗(ωESL)时的频率。对这一谐振频率等式求解得到下式：

　　所有电容的阻抗曲线都与图示的大致形状类似。虽然实际曲线图有所不同，但大致形状相同。最小阻抗由 ESR 决定，高频区域由 ESL 决定，而后者在很大程度上受封装样式影响。

　　去耦电容类型

　　电解电容系列具有宽值范围、高电容体积比和广泛的工作电压，是极佳的高性价比低频滤波器元件。该系列包括通用铝电解开关类型，提供 10 V 以下直至约 500 V 的工作电压，大小为 1 μF 至数千μF 不等（以及成比例的外形尺寸）。

　　所有电解电容均有极性，因此无法耐受约 1 V 以上的反向偏置电压而不造成损坏。此类元件具有相对较高的漏电流（可能为数十μA），具体漏电流在很大程度上取决于特定系列的设计、电气尺寸、额定电压及施加电压。不过，漏电流不可能是基本去耦应用的主要因素。

　　大多数去耦应用不建议使用通用铝电解电容。不过，铝电解电容有一个子集是"开关型"，其设计并规定用于在最高达数百 kHz 的频率下处理高脉冲电流，且损耗很低。此类电容在高频滤波应用中可直接媲美固态钽电容，且具有更广泛的可用值。

　　固态钽电解电容一般限于 50 V 或更低的电压，电容为 500 μF 或更低。给定大小时，钽电容比铝开关电解电容呈现出更高的电容体积比，且具有更高的频率范围和更低的 ESR。钽电容一般也比铝电解电容更昂贵，对于浪涌和纹波电流，必须谨慎处理应用。

　　最近，使用有机或聚合物电解质的高性能铝电解电容也已问世。这些电容系列拥有略低于其他电解类型的 ESR 和更高的频率范围，另外低温 ESR 下降也最小。此类元件使用铝聚合物、特殊聚合物、POSCAP?和 OS-CON?等标签。

　　陶瓷或多层陶瓷(MLCC)具有尺寸紧凑和低损耗特性，通常是数 MHz 以上的首选电容材料。不过，陶瓷电介质特性相差很大。对于电源去耦应用，一些类型优于其他类型。采用 X7R 的高 K 电介质配方时，陶瓷电介质电容的值最高可达数μF。Z5U 和 Y5V 型的额定电压最高可达 200 V。X7R 型在直流偏置电压下的电容变化小于 Z5U 和 Y5V 型，因此是较佳选择。

　　NP0（也称为 COG）型使用介电常数较低的配方，具有标称零 TC 和低电压系数（不同于较不稳定的高 K 型）。NP0 型的可用值限于 0.1 μF 或更低，0.01 μF 是更实用的上限值。

　　多层陶瓷(MLCC)表面贴装电容的极低电感设计可提供近乎最优的 RF 旁路，因此越来越频繁地用于 10 MHz 或更高频率下的旁路和滤波。更小的陶瓷芯片电容工作频率范围可达 1 GHz。对于高频应用中的这些及其他电容，通过选择自谐振频率高于最高目标频率的电容，可确保有用值符合需要。

　　薄膜型电容一般使用绕线，增加了电感，因此不适合电源去耦应用。此类型更常用于音频应用，此时需要极低电容和电压系数。

　　最后，务必选择击穿电压至少为电源电压两倍的电容，否则当电路上电时，可能会发生意外。

　　不良去耦技术对性能的影响

　　图 3 显示 1.5 GHz 高速电流反馈运算放大器 AD8000 的脉冲响应。两幅示波器图均是利用评估板获得。左侧曲线显示正确去耦的响应，右侧曲线显示同一电路板上去除去耦电容后的响应。两种情况中，输出负载均为 100 Ω。

图 3. 去耦对 AD8000 运算放大器性能的影响

　　示波器图说明，没有去耦时，输出表现出不良响铃振荡，这主要是因为电源电压随负载电流变化而偏移。

　　现在考察正确及错误去耦对 14 位、105 MSPS/125 MSPS 高性能数据转换器 ADCAD9445 的影响。虽然转换器通常无 PSRR 规格，但正确去耦仍非常重要。图 4 显示正确设计电路的 FFT 输出。这种情况下，我们使用 AD9445 的评估板——注意频谱很干净。

图 4：正确去耦时 AD9445 评估板的 FFT 图

　　AD9445 的引脚排列如图 4 所示。请注意，电源和接地引脚有多个。这是为了降低电源阻抗（并联引脚）。

图 5.AD9445 引脚排列图

　　模拟电源引脚有 33 个。18 个引脚连接到 AVDD1（电压为 3.3 V ± 5%），15 个引脚连接到 AVDD2（电压为 5 V ± 5%）。DVDD（电压为 5 V ± 5%）引脚有 4 个。在本实验所用的评估板上，每个引脚有 0.1 μF 陶瓷去耦电容。此外，沿电源走线还有数个 10 μF 电解电容。

　　图 6 显示了从模拟电源去除去耦电容后的频谱。请注意，高频杂散信号增加了，还出现了一些交调产物（低频成分）。信号 SNR 已显著降低。本图与上图的唯一差异是去除了去耦电容。

　　图 7 显示从数字电源去除去耦电容的结果。注意杂散同样增加了。另外应注意杂散的频率分布。这些杂散不仅出现在高频下，而且跨越整个频谱。本实验使用转换器的 LVDS 版本进行。可以想象，CMOS 版本会更糟糕，因为 LVDS 的噪声低于饱和 CMOS 逻辑。

图 7. 从数字电源去除去耦电容后 AD9445 评估板的 SNR 图

　　这些实验表明，除去大多数或所有去耦电容会导致性能降低，但要分析或预测除去一两个去耦电容的影响是很困难的。当拿不定主意时，最佳策略是放上电容。虽然成本略有增加，但消除了性能降低的风险，这样做通常是值得的。

　　去耦总结

　　关于去耦的内容还有很多，但我们希望大家对其在实现系统期望性能方面所起的作用有了一个大致了解。这些文章中的基本纲要说明了关键概念，欲了解详细信息，请参阅其他参考资料。另一个宝贵的指导资源是制造商的评估板，大部分 IC 产品都有相应的评估板。很多情况下，您只需下载原理图、布局和元件列表，然后了解关于去耦做了些什么，而不必实际购买评估板。您可以确信，这些评估板的设计非常用心，旨在实现待评估 IC 的最佳性能。

　　现在我们用图 8 所示的传统电路测验结束本文。

　　图 8. 测验：三个理想电容充电到所示电压。先闭合 S1，再闭合 S2 之后，该组电容的最终电压是多少？如果开关闭合的先后顺序相反，该组电容的最终电压是多少？