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第第頁(yè)深度解讀旁路電容工作原理及存在意義旁路(電容)(bypasscapacitor)在高速數(shù)字邏輯電路中尤為常見(jiàn),它的作用是在正常的通道((信號(hào))或(電源),本文以電源旁路電容為例)旁邊建立另外一個(gè)對(duì)高頻噪聲成分阻抗比較低的通路,從而將高頻噪聲成分從有用的信號(hào)用濾除,也因此而得名,如下圖所示:
通常我們見(jiàn)到的旁路電容位置如下圖所示:
如果是高密度BGA(BallGridArray)封裝(芯片),則旁路電容通常會(huì)放在(PCB)底層(芯片的正下方),這些旁路電容會(huì)使用過(guò)孔扇出(Fanout)后與芯片的電源與地引腳連接,如下圖所示:
更有甚者,很多高速(處理器)芯片(通常也是BGA封裝)在出廠(chǎng)時(shí),已經(jīng)將旁路電容貼在芯片上,如下圖所示:
臺(tái)式(電腦)的(CPU)(CentralProcessingUnit)一般都是用CPU插槽進(jìn)行安裝,很多CPU芯片的背面(是芯片的背面,而不是貼芯片的PCB板背面)也會(huì)有很多旁路電容,如下圖所示:
總之,旁路電容的位置總是會(huì)與主芯片越來(lái)越靠近,原理圖設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行(電路設(shè)計(jì))時(shí),也通常會(huì)將這些旁路電容的PCBLAYOUT要點(diǎn)標(biāo)記起來(lái),用來(lái)指導(dǎo)PCB布局布線(xiàn)工程師,如下圖所示:
那么這里就有兩個(gè)問(wèn)題了:
(1)為什么旁路電容一定要與主芯片盡可能地靠近?
(2)為什么大多數(shù)旁路電容的值都是0.1uF(104)?這是巧合嗎?
要講清楚這兩個(gè)問(wèn)題,首先我們應(yīng)該理解旁路電容存在的意義,很多人分不清濾波電容、旁路電容,其實(shí)本質(zhì)上兩者是沒(méi)有任何區(qū)別,只不過(guò)在細(xì)節(jié)上對(duì)電容的要求有所不同。無(wú)論電容的應(yīng)用場(chǎng)合名稱(chēng)叫什么,基本的(也是共同的)一點(diǎn)特性總是不會(huì)變的:儲(chǔ)能。電容的這一特性使得外部(供電)電源有所波動(dòng)時(shí),與電容并聯(lián)的對(duì)象兩端的電壓所受的影響減小,如下圖所示:
上圖中,我們用開(kāi)關(guān)K1來(lái)(模擬)擾動(dòng)的來(lái)源,很明顯,每一次開(kāi)關(guān)K1閉合或斷開(kāi)時(shí),在(電阻)R1與R2的分壓下,電阻R2兩端的電壓(VDD)都是會(huì)實(shí)時(shí)跟隨變化的(即波動(dòng)很大),只不過(guò)電壓幅度不一致而已,我們認(rèn)為開(kāi)關(guān)的切換動(dòng)作已經(jīng)產(chǎn)生了電源噪聲。
當(dāng)我們?cè)赩DD節(jié)點(diǎn)與公共地之間并聯(lián)一個(gè)電容C1后,如下圖所示:
由于電容C1儲(chǔ)能的作用,開(kāi)關(guān)K1在開(kāi)/關(guān)切換時(shí),電容的充放電行為會(huì)使VDD更加平緩一些,如下圖所示:
如果這個(gè)電容值比較大(一般在10uF以上,也有數(shù)千微法),我們就將其稱(chēng)為濾波電容,它可以將低頻擾動(dòng)成分濾除掉(但是對(duì)高頻成分不管用),如果這個(gè)電容值比較小(一般1uF以下),我們稱(chēng)為旁路電容,它可以將高頻成分濾除掉(對(duì)低頻成分不管用),這兩種電容起的都是濾除作用,如下圖所示:
(本文以容值為濾波與旁路的區(qū)分僅限于(數(shù)字電路),旨在說(shuō)明兩者區(qū)別,僅供參考,因?yàn)樵谀M電路中很多容值并不小的電容也算是旁路電容,比如基本放大電路中的發(fā)射極電阻兩端并聯(lián)的電容,但本質(zhì)都是一樣的)
當(dāng)然,我們也可以把模擬電源擾動(dòng)開(kāi)關(guān)K1放在如下圖所示的位置,同樣的道理,電容C1也可以在一定程度上削弱擾動(dòng)對(duì)VDD帶來(lái)的影響:
對(duì)于旁路電容的應(yīng)用電路而言,開(kāi)關(guān)K1與電阻R2為干擾的來(lái)源,我們可以把它們等效為芯片內(nèi)部,如下圖所示:
下面我們以74HC04(6反相器)芯片來(lái)分析一下,盡管電路規(guī)模很小,但原理都是一樣的。我們?cè)凇哆壿嬮T(mén)》系列文章有提到過(guò),CMOS反相器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示:
我們將這個(gè)反相器安裝到上面的電路中去,則有如下圖所示:
其中,電容CL為芯片內(nèi)部等效負(fù)載電容,一般為幾個(gè)pF,是(數(shù)字集成)電路中客觀(guān)存在的,就算反相器輸出沒(méi)有連接額外的負(fù)載,芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)也會(huì)消耗一定的電能(電荷)。
假設(shè)芯片邏輯輸入電平由高H至低L變化(由低L至高H變換也是一樣的道,本文不再贅述),PMOS(上側(cè)帶圈圈的)導(dǎo)通,NMOS截止,此時(shí)(電流)通路如下圖所示:
由于電容CL兩端的電壓不能突變,因此瞬間的充電電流(電荷)也不小,這個(gè)充電電流即來(lái)自于電源VDD,如果附近恰好有旁路電容,則由旁路電容中儲(chǔ)存的電荷提供此消耗,如下圖所示:
有人可能就說(shuō):就算旁路電容C1離芯片太遠(yuǎn)或沒(méi)有,不是還有直流電源V提供VDD嗎?也應(yīng)該可以承擔(dān)提供電能的責(zé)任呀?沒(méi)錯(cuò),當(dāng)芯片產(chǎn)生的噪聲成分屬于低頻是完全可以的,但是數(shù)字電路處于高低電平切換時(shí)情況就完全不一樣了,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的切換會(huì)產(chǎn)生諧波豐富的高頻成分。
需要注意的是,這個(gè)諧波頻率成分的高低不是指信號(hào)的切換頻率,而取決于高低電平切換的上升或下降率,即上升時(shí)間tr(rising(ti)me)與下降時(shí)間(tf)(fallingtime),如下圖所示:
高低電平變換時(shí)間越短,則產(chǎn)生的諧波(高頻)成分越豐富,因此,低速開(kāi)關(guān)并不意味著高頻成分少,信號(hào)頻率為1MHz方波存在的高頻諧波成分比同頻率正弦波要高得多,因?yàn)榉讲ǖ母叩碗娖角袚Q時(shí)間非常短,而正弦波則相對(duì)非常緩慢。
因此數(shù)字電路應(yīng)使用下圖所示的高頻等效電路:
其中,L1、L2、L3、L4就是線(xiàn)路(包括過(guò)孔、引腳、走線(xiàn))在高頻下的等效電感,線(xiàn)路越長(zhǎng)則等效電感越大,這些等效電感對(duì)高頻信號(hào)相當(dāng)于是高阻抗,這對(duì)于前級(jí)過(guò)來(lái)的高頻干擾的抑制是有好處的,但同時(shí)對(duì)芯片內(nèi)部(后級(jí))開(kāi)關(guān)切換帶來(lái)的干擾也是有抑制作用的,這種抑制作用在旁路電容(或更遠(yuǎn)的直流電源V)與芯片之間形成了阻礙,使得VDD供電(端子)無(wú)法及時(shí)獲取到足夠電荷繼而導(dǎo)致VDD瞬間下降(即變差),這種電壓變化可以由下式來(lái)表達(dá):
在大規(guī)模數(shù)字(集成電路)中會(huì)存在成千上萬(wàn)個(gè)等效開(kāi)關(guān)同時(shí)切換,這些切換產(chǎn)生的瞬間電流都將使原本看似平穩(wěn)的電源電壓不再干凈,繼而使得芯片工作不再穩(wěn)定,類(lèi)似如下圖所示:
因此,通常我們會(huì)將旁路電容盡量地靠近芯片,這樣使得旁路電容與芯片之間的引腳或走線(xiàn)的分布電感越小,從而能保證芯片能夠及時(shí)獲取足夠的電荷。電路規(guī)模越大的芯片(如奔騰處理器),同一時(shí)間切換的邏輯會(huì)更多,因此也需要更多的電荷進(jìn)行消耗電能的補(bǔ)充,外部需要并接的旁路電容也更多,如下圖所示:
旁路電容所起的作用與現(xiàn)實(shí)生活中的撲滅小火災(zāi)的水龍頭一樣:假設(shè)家里出現(xiàn)了小火災(zāi)(相當(dāng)于高頻電源擾動(dòng)),反應(yīng)最快的肯定是從家里的水源處(相當(dāng)于旁路電容)取水來(lái)?yè)錅纾皇堑谝粫r(shí)間拔打119電話(huà)。119火警撲滅火災(zāi)的能力(相當(dāng)于外部電源V)肯定是最強(qiáng)的,它對(duì)于大火災(zāi)(相當(dāng)于低頻電源擾動(dòng))是最合適的,但是對(duì)于頻繁出現(xiàn)的小火災(zāi)幾乎沒(méi)有什么用處,反應(yīng)時(shí)間跟不上,等你趕過(guò)來(lái)時(shí)什么都燒完了(電路工作出現(xiàn)異常),還是家里的水龍頭管用,雖然水源比較小,但對(duì)于小火災(zāi)卻是足夠用了。
有人可能就會(huì)說(shuō):搞那么麻煩做什么,為什么要并聯(lián)這么多小電容?不就是那么些個(gè)儲(chǔ)能電容,我在附近并聯(lián)10uF或100uF的電容不就都解決了么?以一個(gè)抵千百個(gè),PCB布局布線(xiàn)更簡(jiǎn)單,么么噠!理想很豐滿(mǎn),現(xiàn)實(shí)很骨感。從單純的儲(chǔ)能角度來(lái)講,是沒(méi)有什么問(wèn)題的!但旁路電容還有另外的重要功能:為每個(gè)高頻信號(hào)提供良好的低阻抗返回路徑,從而控制信號(hào)之間的串?dāng)_。
如下圖所示,在門(mén)C的輸出切換為高電平時(shí),電池電源V將對(duì)負(fù)載電容CL充電,這個(gè)電流回路將產(chǎn)生瞬間的噪聲電壓(用L1、L2等效),如果同一時(shí)間門(mén)A的輸出也切換為高電平,則門(mén)C產(chǎn)生的噪聲電壓將疊加在VDD上,從而影響到輸出電平。
也就是說(shuō),其它門(mén)的噪聲電壓(也稱(chēng)為共路噪聲)被傳遞到門(mén)A的輸出端,同一時(shí)間邏輯切換越多則產(chǎn)生的共路噪聲越大,一旦疊加在VDD上的共路噪聲超過(guò)芯片的噪聲容限,電路因無(wú)法有效地判斷高低電平而導(dǎo)致異常,如下圖所示:
為了改善這種共路噪聲帶來(lái)的影響,我們可以在每個(gè)芯片附近放置合適容值的旁路電容,由旁路電容建立電源與地之間的低阻抗回路,這樣高頻噪聲就不會(huì)影響到其它門(mén)的正常工作,如下圖所示:
在實(shí)際應(yīng)用中,我們會(huì)使用電源平面與地平面(減小分布電感,這些屬于高速(PCB設(shè)計(jì))內(nèi)容,我們將在系列專(zhuān)欄文章中進(jìn)行詳細(xì)講解),并配合旁路電容來(lái)為每一個(gè)芯片提供良好的低阻抗回路,如下圖所示:
但我們?cè)谖恼隆峨娙荨芬呀?jīng)介紹過(guò),實(shí)際的電容都有其自諧振頻率,電容在高于自諧振頻率時(shí)等效為一個(gè)電感,亦即不再是個(gè)電容了。我們也計(jì)算過(guò)10uF貼片陶瓷電容的自諧振頻率約為1.6MHz,假設(shè)我們的芯片工作在10MHz(諧波頻率成分甚至?xí)_(dá)100MHz以上),此時(shí)并聯(lián)10uF的電容相當(dāng)于是不存在的(對(duì)于高頻噪聲成分相當(dāng)于是開(kāi)路的),因此,旁路電容的容量過(guò)大將起不到高頻旁路的作用,另外,并聯(lián)多個(gè)小電容的也可以在達(dá)到前述兩個(gè)功能的前提下提升總電容的自諧振頻率,這一點(diǎn)可以參
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