了解基于電源抑制參數(shù)的去耦需求解析
本文將討論如何通過(guò)電源去耦來(lái)保持電源進(jìn)入集成電路（IC）的各點(diǎn)的低阻抗。
諸如放大器和轉(zhuǎn)換器等模擬集成電路具有至少兩個(gè)或兩個(gè)以上電源引腳。對(duì)于單電源器件，其中一個(gè)引腳通常連接到地。諸如ADC和DAC等混合信號(hào)器件可以具有模擬和數(shù)字電源電壓以及 I/O電壓。像FPGA這樣的數(shù)字IC還可以具有多個(gè)電源電壓，例如內(nèi)核電壓、存儲(chǔ)器電壓和I/O電壓。
不管電源引腳的數(shù)量如何，IC數(shù)據(jù)手冊(cè)都詳細(xì)說(shuō)明了每路電源的的允許范圍，包括推薦工作范圍和最大絕對(duì)值，而且為了保持正常工作和防止損壞，必須遵守這些限制。
然而，由于噪聲或電源紋波導(dǎo)致的電源電壓的微小變化—即便仍在推薦的工作范圍內(nèi)—也會(huì)導(dǎo)致器件性能下降。例如在放大器中，微小的電源變化會(huì)產(chǎn)生輸入和輸出電壓的微小變化，如圖所示。
放大器的電源抑制顯示輸出電壓對(duì)電源軌變化的靈敏度
如果放大器正在驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并且在電源軌上存在無(wú)用阻抗，則負(fù)載電流會(huì)調(diào)制電源軌，從而增加交流信號(hào)中的噪聲和失真。
適當(dāng)?shù)木植咳ヱ钤赑CB上是必不可少的。
典型的4層PCB通常設(shè)計(jì)為接地層、電源層、頂部信號(hào)層和底部信號(hào)層。表面貼裝IC的接地引腳通過(guò)引腳上的過(guò)孔直接連接到接地層，從而最大限度地減少接地連接中的無(wú)用阻抗。
電源軌通常位于電源層，并且路由到IC的各種電源引腳。顯示電源和接地連接的簡(jiǎn)單IC模型如圖2所示。
IC內(nèi)產(chǎn)生的電流流過(guò)走線阻抗Z的電流產(chǎn)生電源電壓VS的變化，這將會(huì)產(chǎn)生各種類型的性能降低。
通過(guò)使用盡可能短的連接，將適當(dāng)類型的局部去耦電容直接連接到電源引腳和接地層之間，可以最大限度地降低對(duì)功率噪聲和紋波的靈敏度。去耦電容用作瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)，并將其直接分流到地，從而在IC上保持恒定的電源電壓。雖然回路電流路徑通過(guò)接地層，但由于接地層阻抗較低，回路電流一般不會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差電壓。
下圖顯示了高頻去耦電容必須盡可能靠近芯片的情況。否則，連接走線的電感將對(duì)去耦的有效性產(chǎn)生不利影響。
高頻去耦電容的正確和錯(cuò)誤放置
圖左側(cè)，電源引腳和接地連接都可能短，所以是最有效的配置。然而在圖右側(cè)中，PCB走線內(nèi)的額外電感和電阻將造成去耦方案的有效性降低，且增加封閉環(huán)路可能造成干擾問(wèn)題。
電源去耦路徑
去耦電容擺放的位置及PCB走線是相當(dāng)重要的，不合理的走線可能會(huì)使去耦電容幾乎沒(méi)有起到作用
在計(jì)算并聯(lián)有電容的負(fù)載發(fā)生階躍，負(fù)載兩端的電壓變化情況時(shí)，有公式 ΔU=IR
其中
I 為負(fù)載電流，R為電容的等效串聯(lián)電阻。可見，去耦電容的等效串聯(lián)電阻越小，負(fù)載階躍時(shí)電壓的變化量越小。平時(shí)使用的電解電容具有一定的R，這是不可避免的，只能通過(guò)優(yōu)化布線來(lái)減少PCB走線對(duì)R的影響。
在 PCB 布局時(shí)，應(yīng)檢查去耦電容的放置是否符合以下原則：
（1）將電解電容放置在電源芯片或大電流負(fù)載的附近；
（2）0.1uF 瓷片電容最靠近芯片引腳放置；
（3）電源走線經(jīng)過(guò)電容引腳之后再到達(dá)芯片供電引腳。
在設(shè)計(jì)大電流PCB時(shí)，經(jīng)常需要使用多邊形鋪銅工具來(lái)布線，這可以增大走線所承受的電流，但有一些需要注意的地方。
走線加寬后，電流路徑的寬度增加，于是，在左圖中，大部分的電流沿著橙色箭頭的方向流入芯片，僅有小部分電流由綠色箭頭，流經(jīng)去耦電容，再流入芯片，這回降低電容的去耦作用。因此，如右圖所示，在電容的引腳處劃開，可以使電流先流經(jīng)去耦電容，在流入芯片。
在實(shí)際電路板的布線中，最好是沿著電路的電流流動(dòng)方向來(lái)進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。
選擇正確類型的去耦電容
低頻噪聲去耦通常需要用電解電容（典型值為1µF至100µF），以此作為低頻瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)。將低電感表面貼裝陶瓷電容（典型值為0.01µF至0.1µF）直接連接到IC電源引腳，可最大程度地抑制高頻電源噪聲。所有去耦電容必須直接連接到低電感接地層才有效。此連接需要短走線或過(guò)孔，以便將額外串聯(lián)電感降至最低。
大多數(shù)IC數(shù)據(jù)手冊(cè)在應(yīng)用部分說(shuō)明了推薦的電源去耦電路，用戶應(yīng)始終遵循這些建議，以確保器件正常工作。
鐵氧體磁珠并非始終必要，但可以增強(qiáng)高頻噪聲隔離和去耦，通常較為有利。這里可能需要驗(yàn)證磁珠永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，特別是在運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)高輸出電流時(shí)。當(dāng)鐵氧體飽和時(shí)，它就會(huì)變?yōu)榉蔷€性，失去濾波特性。
在為去耦應(yīng)用選擇合適的類型時(shí)，需要仔細(xì)考慮由于寄生電阻和電感產(chǎn)生的非理想電容性能。
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