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  产品 方案

从信号完整 性角度看电容运用 与盘算

来 源:  时 间:2021-11-15

1. 去耦电容的选择

理想 的电容其实不 是理想,表现 为:

a.电容具有引脚电感,当频率高到一定的值后会使得电容的阻抗增添 ;

b.电容具有ESR,这也会降低电容的功用 ;

c.电容有温度特征 ,随着温度的改动 ,电容的介质属性会转变 并惹起 容值的转变 ;

d.电容的容值会因为 介质老化而逐渐 转变 ;

e.电容过压会爆炸。

中选 择去耦电容时,空虚 明白 上述非理想性是很主要 的,串联电感和ESR的浸染 可以盘算取得 ,关于温度特征 、老化特征 和电压规模只能由消费 厂家提供详细资料 。

用等效交流阻抗来评价 一个去耦电容的好坏 ,等效交流阻抗用电阻、电感和电容阻抗的均方根值来近似:ohms

其中:RESR:电容的串联电阻;Xac:电容的等效交流阻抗;L:电容管脚、封装、接插件电感的和。

下图所示的为一个电容的频响曲线。图中可以看出电容的带通特征 (bandpass characteristics),低频段,电容表现 为电容,当频率增添 ,电感成分 占了下风 ,阻抗随频率增添 而增添 。

 

电容的阻抗很激流 平上依赖于数字信号的频谱成分 。是以 ,应当 准确 选择这一频率,可是在数字系统 中因为 信号征求 许多频率成分 ,以是 这一频率不是可以直接取得 的。有一些要领可以取得 旁路电容必需 经过 的最大频率。

一些工程师简朴 的选择最大频率为基频的五次谐波,例如,若是 总线的频率为500MHz,它的五次谐波为2500MHz。若是 电容的引脚电感或ESR很高,那么可以另外选择电容或并联放置电容以降高等 效电感和电阻。

2. 去耦电容的去耦时间 的盘算

本文从另外一个更直观的角度来说明 去耦电容的这种特征 ,即电容的去耦时间 。稳压电源以及去耦电容是组成电源系统 的两个主要 局限 。关于 ,如今 芯片的速率 愈来愈 快,特别 关于 高速处置赏罚 芯片,负载芯片的电流需求转变 也是很是快。外部 晶体管开关速率 极快。

 

例如,处置赏罚 芯片外部 有2000个晶体管同时发作 形状 翻转,转换时间 是1ns,总电流需求为600mA

这就表达 着,电源系统 必需 再1ns时间 内补足600mA瞬态电流。可是 ,关于 如今 的稳压源系统 来说,在这么短的时间 内其实不 能反映过去 ,相对 快速 转变 的电流,稳压源显着 滞后了。凭证 一样往常 履历 来说,稳压源的频率照应 为几百K左右,因为 在时域系统 里,1/100KHz=10us,也就是说,稳压源最快的响当令 间为10us,无法在1ns时间 里取得 照应 。这样的效果 是,负载还在嗷嗷待哺等候 电流,稳压源却无法实时提供电流,总功率一定,电流增大了,于是电压就会被拉上去 ,形成 了轨道塌陷,是以 噪声就发作 了。

怎样 处置 呢?要领是并联分别 容值的电容器。因为 ,稳压源需求 10us才干 反映过去 ,以是 在0-10us的时间 里也不醒目 等着,需求 用适当 的电容来增补。

好比凭证 50mohm的目的 阻抗,可以盘算出电容:

C=1/(2*PI*f*Z)=31.831uf

而电容的最高频率同时可以盘算出来,假定 ESL为5nH,以是 有f=Z/(2*PI*ESL)=1.6MHz。

也就是说参与 31.831uf的电容,可以提供100KHz到1.6MHz频段的去耦。另外,1/1.6MHz=0.625us,这样一来,0.625us到10us这段时间 电容可以 提供所需求 的电流。10us之后,稳压源可以 提高 需求 的动摇 电流。

 

另外,加上一个大电容其实不 能知足 要求,通常还会放一些小电容,例如150.22uf的电容,可以提供高至100MHz的去耦,这些小电容的最快反映时间 是1/100MHz=1ns,是以 ,这些电流可以 保险 1us之后的电流需求。

此外,这个反映时间 能够 还不太够,一样往常 需求 将退耦频率提高 到500MHz,也就是反映时间 快到200ps,应当 就喧嚣 了。


 

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