去耦电容的作用

周五, 15 十二月 2017 - 10:45

一、首先要解释一下耦合，耦合就是互相影响，正如变压器的原边会影响副边，同时副边也会影响原边，这就让人想起金庸小说里的七伤拳，伤人伤己。

那么去耦，就是减少耦合，减少互相影响。其实这里的去耦电容跟滤波电容的意思是一样的。但是为什么要另起一个名字呢？笔者认为，如果耦合的反义词是滤波的话，往往会让人摸不着头脑，所以需要再起一个名词叫去耦，这样刚好满足人们语言表达的需求。

二、去耦电容的作用。

如上图所示，一个LDO的输入和输出各加了两个电容，分别是104和10uF。

显然电容是具有滤波的作用，但是这跟模电上的RC、LC、RLC滤波不一样，只有一个C，这样也能滤波的，滤波的频率叫自谐振频率。

上图中，NPO电容的自谐振频率呈V字形，而Z5V电容则呈U字形，说明了NPO电容的滤波特性更好，同时，也最容易滤掉虚线对应的频率（就是自谐振频率）。

此外，电容工作在虚线左边的频率范围内，呈电容的特性，而虚线右边，则呈电感的特性（下面有解释）。

三、为什么一个电容也会谐振？

由电容的等效电路

由于电容的制造工艺、材料等原因，实际的电容应该等效成上图所示，但是用在频率较低的电路上，Rs、Rp、Ls影响非常小，所以只把它当成一个Cp，而把其它的忽略掉。

如果电容工作在频率较高的电路上，就不能把Rs、Rp、Ls忽略了，这时利用上图的等效电路和拉氏变换，可以推导出电容的自谐振频率。而且，如果工作的频率超过电容的自谐振频率，那么感抗wLs会远大于容抗1/(wCp)，这时，感抗起主导作用，容抗的影响非常小，可以忽略容抗时，电容会呈现感性。

这就让人想起了共振，如微波炉中的微波频率和水分子发生共振，说明了水分子也有自谐振频率（谐振跟共振，其实是一个意思）。

四、如何计算电容的自谐振频率？

在实际应用中，我们不可能对每个电容都测一下分布参数，弄等效电路的。一般是用经验公式：自谐振频率f0≈1/C。

五、怎样知道用多大的去耦电容？

可以用示波器测出LDO输入和输出的干扰信号的频率，再用公式C≈1/f0算出容值。一般要求没那么严格，直接加10uF和104，可以适用于一般的应用场合。

六、为什么要加一大一小两个电容？

由公式f0≈1/C可以得出，小电容滤高频干扰；大电容滤低频干扰。

七、为什么小电容要靠近芯片，而大电容则可以远一点？

小电容滤高频干扰，这个高频干扰不一定是由芯片外部输入进来的，也可以由芯片内部产生的。

像CPU、FPGA等，内部若干个MOS管像开关一样在导通、截止，这就形成了很多方波信号，再用傅立叶级数把它展开，就会产生很多奇次谐波。这些谐波的频率很高，属于高频干扰。如果高频干扰在整块电路板上传播，那就相当危险了，应该尽早的把它滤掉，所以要尽量靠近芯片。而低频干扰的影响力没那么大，可以远一点。此外，大电容还充当了电池的作用，正如，关电视机的时候，电源指示灯要过一会才灭，就是因为这些大电容在给它放电。。

八、去耦电容在多远的距离会失去滤波的作用？

这涉及到去耦半径的计算，有兴趣的读者，可以参考《信号完整性分析》

九、为什么有些芯片的电源管脚上会放很多去耦电容？怎样知道该用多少个电容？

上图就是有名的zedboard上面，ZYNQ附近的去耦电容，像个八卦阵一样，非常优雅的设计。

但是这里却不像我们用单片机、或者LDO那样，加104和10uF那么简单。

上面也说到，CPU、FPGA，内部的MOS管不断地导通、截止，其实这就是动态负载，那么由欧姆定律，U＝IR，可以得出，当R突然变小，U不变（先假设电压不变），I突然变得很大（想象一下，上亿个MOS管在同时工作，尽管一个MOS管吸取的电流非常小，但是量多了，总体吸取的电流是非常大的）。

再由功率守恒，P＝UI，当P一定的时候（电源芯片提供的功率是不变的），I变大，U变小。这说明了，在电源芯片提供的功率范围内，电源电压是不变的；但是，超出了电源芯片的功率的话，电源电压是随着负载而变的，这也是正好解释了过载现象，只是这里是一个瞬间的过程。

所以才需要加很多去耦电容，去抑制电源电压的瞬间变化（也叫暂态）。加多少个电容，是由瞬态功率决定的，具体的计算，可以参考《信号完整性分析》。

文章转载自： http://blog.csdn.net/k331922164/article/details/46839711