旁路电容的深度研讨(1)

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通过一次关于基本知识的对话，让我们深入考察那没有什么魅力但是极其关键的旁路电容和去耦电容。
编辑引言：旁路电容是关注度低、没有什么魅力的元器件，一般来说，在许多专题特写中不把它作为主题，但是，它对于成功、可靠和无差错的设计是关键。来自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz参加了关于该主题的进一步对话。本文是对话的第一部分。Dave和Tamara信仰辩论的价值、教育的价值以及谦虚地深入讨论核心问题的价值；简而言之，为了获取知识而展开对一个问题的讨论。下面请“聆听”并学习。
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David: 有一种观念认为，当我们做旁路设计时，我们对低频成分要采用大电容(微法级)，而对高频成分要采用小电容(纳法或皮法级)。
Tamara: 我赞成，那有什么错吗？
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David: 那听起来很好并且是有意义的，但是，问题在于当我在实验室中验证那个规则时并未得到我们想要的结果！我要向您发出挑战，Tamara博士。

Tamara: 好啊！我无所畏惧。

David: 让我们看看，你有一个电压调整器并且它需要电源。电源线具有一些串联阻抗(通常是电感以及电阻)，这样对于短路来说，它在瞬间提供的电流就不会出现大变化。它需要有一个局部电容供电，如图1所示。

+ Q) F% s$ q& x图1：旁路电容的功能。
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Tamara: 我到目前均赞成你的观点。那就是旁路的定义。Dave，接着说吧。
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3 M' t" q6 d) u2 m2 s7 C7 fDavid: 例如，有些人可能用0.1 μF电容进行旁路。他们也可能用一个1000pF的电容紧挨着它以处理更高的频率。如果我们已经采用了一个0.1 μF的电容，那么，紧挨着它加一个1000pF电容就没有意义。它会增加1%的容值，谁会在意？
9 b" O) i) N- B+ zTamara: 然而，除了电容值之外，有更多要研究的内容。这两种数值的电容均不理想。
David: 我们必须考察0.1 μF的实际电路；它存在有效串联电阻(ESR)以及有效串联电感(ESL)。
Tamara: 有时候，你还要把介质损耗一项当成一个并联电阻来考虑，如图2所示。
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图2：旁路电容的模型。
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David: 现在，当我们遇到具有瞬态特性的这一损耗时，我们假设0.1 μF电容的ESL远远大约1000pF的电容。我们需要某一器件在短期内供电，因ESL的存在而让0.1 μF的电容做不到这一点。假设就在于1000pF的电容具有更低的ESL，因此，能够提供更好的电流。


- f$ E" G3 D* ?* ?+ \% h5 rTamara: ESL与你获得以及封装的电容的类型有关。其数值可能完全独立于电容本身的尺寸和数值，如图3所示。
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" x/ `! ~% a4 E6 C! y5 B  oDavid: (显示出对年轻同事所具有的知识的惊讶)
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/ B: a0 B3 O5 Z* w; H8 wTamara: 我曾经看到过一些人把100 nF、10 nF和1 nF的电容分级并联起来使用，它们可能均采用相同的封装，例如0402，因为这些电容通常就是采用这种封装形式。然而，每一种0402封装均具有相同的ESL，因为它们具有相同的电感以及相同的高频响应，因此，这么安装电容于事无补。
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$ |2 S. m* V, \图3：旁路电容的阻抗。
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David: 我们在实验室中所发现的问题在于，各种封装均是类似的。我们所采用的大多数陶瓷电容均为面积是0805或0603的电容。我测试发现，把0603 0.1 μF电容挨着0603 100pF电容安装，效果上不如仅仅采用两个0603 0.1 μF的电容。

Tamara: 那是完全有可能。我猜测，你所处的频率范围就是0603 0.1 μF电容被最优化的频率范围。

图4：相同尺寸和不同尺寸的电容的阻抗比较
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: t: n( q  T7 c7 z; R8 [David: 是的，ESR和ESL是原数值的一半且非常管用。在这些应用中，我所研制的开关调整器的工作频率大约为1MHz。
" @( K+ q6 ~: \8 d- c) hTamara: 在你的情况下，要调整电容的数值以及封装，以改善对你没有兴趣的那个频率范围的旁路网络。图4假设我们谈论的是相同类型的电容(陶瓷电容)。其它类型的电容—如钽电容—具有更高的ESR，因此，整个曲线突起。另一方面，有时可能全部要采用钽电容。
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3 Z) g4 }2 s7 aDavid: 我们现在讲讲历史。过去，人们采用他们手上能用的一切元器件。那时，你无法获得封装小的100 μF电容，你不得不通过缩短旁路电容器上的引线来改善旁路网络。当今的大电容的尺寸正逐渐缩小类似于较小电容所具有的尺寸。当你开始认真考虑选择一只0.1 μF电容时，你肯定选择0603的封装，并且，最终会选择0402封装的电容(因为我没有看过0402封装的电容，我倾向于不采用那些电容)。
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Tamara: 按照分级封装的阶梯电容(stepped capacitor)的确切含义来自于赛灵思公司的讨论。他们的FPGA被用于各种各样的应用之中，并且，他们设法测试了所有的条件。因此，他们在高达5Gsps的宽频带内需要一种低阻抗电容对电源旁路。另一方面，你需要一种较低带宽的解决方案。
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' ~: b$ D1 Y, i4 D7 Z  x) d- @/ _% RDavid: 我的评论全部来自较之于比赛灵思的速度更低的电源应用。你的辩论非常聪明，因为你指的是封装尺寸，而其他人没有那么深入的思考。他们通常所，高频需要小电容，而低频需要大电容。

1 S( n4 E4 u' m5 w7 f! U  K' cTamara: 啊，真是的，我要脸红了。

David: 我的旁路事业一直是非常令人厌烦的，因为在大多数时间内，规则就是用0.1 μF电容旁路每一个芯片，那就管用了。

! I; y3 {- L3 h2 P. Y% S5 F  a: @Tamara: 那不仅仅与封装有关，而且还与布局有关。

David: 绝对正确!我循着电路板上的电流路线，发现电路板上存在电感。在任何电流路径上的电感与该路径的闭环面积呈正比。因此，当你围绕一个区域对元器件进行布局时，你需要把元器件紧凑地布局。那就是你为什么把元器件保持紧凑布局的原因—保持电感为低。然后，选择具有良好ESL和ESR的电容。我希望对于它有更多的设计艺术，但是，它的确是实用证明正确的少数的简单规则之一。
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2 o9 q- A1 q, \& j) d. j+ Z/ MTamara: 当然，你可以购买具有较低ESL和ESR的电容，但是，他们通常比标准的陶瓷电容更为昂贵。

! e0 C' x9 e* f0 |David: 在大多数情形下，与每一块芯片尽可能接近的0.1 μF旁路电容仍然非常管用。

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峰兄

有点虎头蛇尾