1、電容退耦的兩種解釋 采用電容退耦是解決電源噪聲問題的主要方法。這種方法對提高瞬態(tài)電流的響應(yīng)速度,降低電源分配系統(tǒng)的阻抗都非常有效。 對于電容退耦, 很多資料中都有涉及, 但是闡述的角度不同。 有些是從局部電荷存儲 (即儲能)的角度來說明,有些是從電源分配系統(tǒng)的阻抗的角度來說明,還有些資料的說明更為混亂,一會提儲能,一會提阻抗,因此很多人在看資料的時候感到有些迷惑。其實,這兩種提法,本質(zhì)上是相同的,只不過看待問題的視角不同而已。為了讓大家有個清楚的認識,本文分別介紹一下這兩種解釋。1.1 從儲能的角度來說明電容退耦原理。 在制作時, 通常會在負載芯片周圍放置很多電容, 這些電容就起到電源退耦作用。其原理可用圖 1 說明。當負載電流不變時,其電流由穩(wěn)壓電源部分提供,即圖中的 I0,方向如圖所示。此時電容兩端電壓與負載兩端電壓一致,電流 Ic為 0,電容兩端存儲相當數(shù)量的電荷,其電荷數(shù)量和電容量有關(guān)。當負載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時,由于負載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極快,必須在極短的時間內(nèi)為負載芯片提供足夠的電流。 但是穩(wěn)壓電源無法很快響應(yīng)負載電流的變化,因此,電流 I0 不會馬上滿足負載瞬態(tài)電流要求,因此負載芯片電壓會降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同,因此電容兩端存在電壓變化。對于電容來說電壓變化必然產(chǎn)生電流,此時電容對負載放電,電流 I 不再為 0,為負載芯片提供電流。根據(jù)電容等式:只要電容量 C 足夠大,只需很小的電壓變化,電容就可以提供足夠大的電流,滿足負載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負載芯片電壓的變化在容許的范圍內(nèi)。這里,相當于電容預(yù)先存儲了一部分電能,在負載需要的時候釋放出來,即電容是儲能元件。儲能電容的存在使負載消耗的能量得到快速補充,因此保證了負載兩端電壓不至于有太大變化,此時電容擔負的是局部電源的角色。 從儲能的角度來理解電源退耦,非常直觀易懂,但是對電路設(shè)計幫助不大。從阻抗的角度理解電容退耦,能讓我們設(shè)計電路時有章可循。實際上,在決定電源分配系統(tǒng)的去耦電容量的時候,用的就是阻抗的概念。1.2 從阻抗的角度來理解退耦原理。 將圖 1 中的負載芯片拿掉,如圖 2所示。從 AB 兩點向左看過去,穩(wěn)壓電源以及電容退耦系統(tǒng)一起,可以看成一個復(fù)合的電源系統(tǒng)。這個電源系統(tǒng)的特點是:不論 AB 兩點間負載瞬態(tài)電流如何變化,都能保證 AB 兩點間的電壓保持穩(wěn)定,即 AB 兩點間電壓變化很小。我們可以用一個等效電源模型表示上面這個復(fù)合的電源系統(tǒng),如圖 3我們的最終設(shè)計目標是,不論 AB 兩點間負載瞬態(tài)電流如何變化,都要保持 AB 兩點間電壓變化范圍很小,根據(jù)公式 2,這個要求等效于電源系統(tǒng)的阻抗 Z 要足夠低。在圖2中,我們是通過去耦電容來達到這一要求的,因此從等效的角度出發(fā),可以說去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。另一方面,從電路原理的角度來說,可得到同樣結(jié)論。電容對于交流信號呈現(xiàn)低阻抗特性,因此加入電容,實際上也確實降低了電源系統(tǒng)的交流阻抗。 從阻抗的角度理解電容退耦,可以給我們設(shè)計電源分配系統(tǒng)帶來極大的方便。實際上,電源分配系統(tǒng)設(shè)計的最根本的原則就是使阻抗最小。 最有效的設(shè)計方法就是在這個原則指導(dǎo)下產(chǎn)生的。