每个IC的清洁功率，第1部分：了解旁路电容器

彻底了解旁路电容器将有助于您将这些关键组件正常合并到您的设计中。

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电容器，电容器到处都是

这不是一个专门的成功的工程学生将从大学毕业，几乎没有关于实际电路中发现的最普遍和重要的组件之一：旁路电容。即使经验丰富的工程师也可能完全明白为什么它们在每个电路板中的每个IC的每个IC的每个电源引脚旁边都包括0.1μF陶瓷电容。本文提供了有助于您了解为什么旁路电容是必要的以及如何改善电路性能的信息，以及后续物品将专注于与选择旁路电容和最大化功效最大化的PCB布局技术的详细信息。

瞬态电流的危险

输出从一个状态快速转换到另一个状态的任何组件都将产生瞬态电流。当这些瞬态电流直接从电源绘制时，由于电源的源阻抗以及与电线和PCB迹线相关联的寄生电感而产生瞬态电压。当组件必须驱动低电阻或高电容负载时，这种效果越来越有问题：低电阻负载产生更高幅度的瞬变，并且高电容负载可能导致电力线中的振铃甚至严重振荡。最终结果可以是从次优电路性能到系统故障的任何内容。

让我们简要探讨使用非常简单的beplay体育下载不了模拟的瞬态电流问题。

该电路是着名的CMOS逆变器，如输入和输出电压之间的关系所确认。尽管该逆变器的巧妙设计不需要稳态电流，但我们需要记住，随着输入电压通过两个晶体管导通的区域，我们需要记住显着的瞬态电流。该电流对逆变器的电压电源产生干扰，对应于源电阻的电压降，（此仿真使用2Ω，这是一个关于您预期的9 V电池的内部电阻）：

确实，这种干扰的大小非常小，但请记住，集成电路可以包含数百或数千万或数百万逆变器。如果没有正确绕过，所有这些瞬态电流的累积效果将是一个严重嘈杂的 - 如果没有灾难性的不稳定电压。德州仪器工程师执行的实验表明，33 MHz的不正确旁路的线路驱动器IC切换导致振幅高达2 V峰到峰值的5 V电源轨！

以下绘图显示电源电压，当仿真电路扩展到包括MER 8逆变器以及串联的寄生电感，源性电阻：

瞬变的大小增加到近0.5 mV，并且两个干扰都表现出一些振荡行为：

数字电路肯定具有劣化功率质量的特殊能力，但模拟IC还需要绕过以补偿快速输出过渡，并保护它们免受其他设备产生的电源噪声。例如，随着频率的电源噪声增加，OP-AMP的电源抑制比降低;这意味着不正确地旁路的OP-AMP可以创建将传播到OP-AMP自己的输出信号的高频电源线干扰。

解决方案

方便，这种严重问题可以通过简单，广泛的可用组件有效地解决。但为什么电容？简单的说明是以下内容：电容器存储电荷，可通过非常低的串联电阻和非常低的串联电感提供给IC。因此，可以从旁路电容器（通过最小电阻和电感）而不是从电源线（通过相对大的电阻和电感）提供瞬态电流。为了更好地理解这一点，我们需要审查与如何的基本概念有关电容会影响电路。

首先，关于术语的简要说明：本文讨论的组件经常被称为“旁路电容器”和“解耦电容”。这里有一个微妙的区别 - “去耦”是指减少电路的一部分影响另一个部分的程度，“旁路”是指提供低阻抗路径，允许噪声在其方向上“通过”IC的噪声“通过”IC到地面节点。这两个术语都可以正确使用，因为旁路/去耦电容完成了两个任务。然而，在本文中，“旁路电容”是有利于避免使用用于阻挡信号的DC分量的串联解耦电容的混淆。

充电和卸货

电容器的基本作用是存储充电和释放电荷，使其反对电压的变化：如果电压突然降低，则电容器从其带电板提供电流以试图保持先前的电压。如果电压突然增加，电容器的板储存从增加电压产生的电流。以下简单的模拟可以帮助您可视化这一点：

注意，电流是正的（即，从源通过r流出₁到C.₁）当电容器充电和负（即，从C流动₁通过R.₁在电容器放电时到源。

根据电容器是否暴露于低频或高频信号，这种基本充电和放电行为不会改变。然而，在绕过电源的讨论中，有助于分析电容器的影响，以两种不同的方式 - 一个用于低频情况，一个用于高频情况。在低频或直流上下文中，旁路电容器通过充电或放电来反对电压线的变化。电容器的功能类似于低阻抗电池，可以提供少量的瞬态电流。在高频上下文中，电容器是地面的低阻抗路径，可保护IC免受电力线上的高频噪声。

标准方法

前述分析有助于我们了解经典旁路方案：IC的一英寸或两个电容器内的10μF电容，以及0.1μF陶瓷电容，尽可能靠近电源引脚：

较大的电容器平滑电源电压的较低频率变化，较小的电容器更有效地过滤出电源线上的高频噪声。

如果我们将这些旁路电容器纳入上述8逆变器仿真，则消除振铃，电压干扰的大小从1 MV降至20μV：

理想的与现实

此时，您可能会想知道为什么我们需要0.1μF电容器除了10μF电容之外。10μF和10.1μF之间有什么区别？这是旁路典型讨论变得更加复杂的地方。特定旁路方案的功效与两个所选择的电容器密切相关非抗病特征：等效串联电阻（ESR）和等效系列电感（ESL）。在刚才提到的模拟中，并联10μF和0.1μF的理想电容器只变成10.1μF的理想电容。为了使模拟任何接近现实的东西，我们需要包括ESR和ESL的合理值。通过此修改，我们有以下内容：

尽管与没有旁路电容器的情况相比，但与无旁路电容器的情况相比，这些结果明显差而不是我们用理想的帽所看到的。

这种简单的模拟不能考虑所有寄生阻抗和真实的PCB上的真实集成电路的其他微妙影响（特别是包括高速数字信号的实际情况）。这里的目的是证明设计旁路网络涉及仔细考虑电容器的ESR和ESL。同样重要的是适当的组件放置和PCB布局技术。我们将探讨下一篇beplay体育下载不了文章中的所有这些细节。

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