PCB布板時(shí)去耦電容的擺放問題

相信剛畢業(yè)的大學(xué)生，剛進(jìn)單位犯錯(cuò)誤是在所難免的，可能每個(gè)人都會(huì)有一個(gè)老師去帶，如果你遇到了一個(gè)認(rèn)真并且對(duì)你負(fù)責(zé)的老師帶你，那我恭喜你，你的運(yùn)氣很好，因?yàn)橐婚_始他對(duì)你的嚴(yán)格往往會(huì)使你受益終身。當(dāng)然被別人批評(píng)永遠(yuǎn)是我們不愿意聽到的，如果你既不想被老師批評(píng)，又想自己今后進(jìn)步的很快，唯一的路徑就是努力學(xué)習(xí)了。

前面說了一些自己經(jīng)歷的感受，下面我們開始說正題了。

相信對(duì)做硬件的工程師，畢業(yè)開始進(jìn)公司時(shí)，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，老工程師都會(huì)對(duì)他說，PCB走線不要走直角，走線一定要短，電容一定要就近擺放等等。但是一開始我們可能都不了解為什么這樣做，就憑他們的幾句經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦，當(dāng)然如果你沒有注意這些細(xì)節(jié)問題，今后又犯了，可能又會(huì)被他們罵，“都說了多少遍了電容一定要就近擺放，放遠(yuǎn)了起不到效果等等”，往往經(jīng)驗(yàn)告訴我們其實(shí)那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙，我們一開始不會(huì)也不用難過，多看看資料很快就能掌握的。直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料，為什么設(shè)計(jì)PCB電容要就近擺放呢，等看了資料后就能了解一些，可是網(wǎng)上的資料很雜散，很少能找到一個(gè)很全方面講解的。工作兩年后，我看到了相關(guān)人士講的相關(guān)文章。下面這篇文章是我轉(zhuǎn)載于博士的一片關(guān)于電容去耦半徑的講解，相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問題的發(fā)生。

老師 問： 為什么去耦電容就近擺放呢?

學(xué)生 答： 因?yàn)樗杏行О霃脚?，放的遠(yuǎn)了失效的。

電容去耦的一個(gè)重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片，多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來談這個(gè)擺放距離問題。確實(shí)，減小電感是一個(gè)重要原因，但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及，那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠(yuǎn)，超出了它的去耦半徑，電容將失去它的去耦的作用。

理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電流的需求發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng)，電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓)，就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間，因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣，電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。

特定的電容，對(duì)與它自諧振頻率相同的噪聲補(bǔ)償效果最好，我們以這個(gè)頻率來衡量這種相位關(guān)系。設(shè)自諧振頻率為f，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為，補(bǔ)償電流表達(dá)式可寫為：

其中，A是電流幅度，R為需要補(bǔ)償?shù)膮^(qū)域到電容的距離，C為信號(hào)傳播速度。

當(dāng)擾動(dòng)區(qū)到電容的距離達(dá)到時(shí)，補(bǔ)償電流的相位為，和噪聲源相位剛好差180度，即完全反相。此時(shí)補(bǔ)償電流不再起作用，去耦作用失效，補(bǔ)償?shù)哪芰繜o法及時(shí)送達(dá)。為了能有效傳遞補(bǔ)償能量，應(yīng)使噪聲源和補(bǔ)償電流的相位差盡可能的小，最好是同相位的。距離越近，相位差越小，補(bǔ)償能量傳遞越多，如果距離為0，則補(bǔ)償能量百分之百傳遞到擾動(dòng)區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠(yuǎn)小于。實(shí)際應(yīng)用中，這一距離最好控制在<!--[endif]-->之間，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

例如：0.001uF陶瓷電容，如果安裝到電路板上后總的寄生電感為1.6nH，那么其安裝后的諧振頻率為125.8MHz，諧振周期為7.95ps。假設(shè)信號(hào)在電路板上的傳播速度為166ps/inch，則波長(zhǎng)為47.9英寸。電容去耦半徑為47.9/50=0.958英寸，大約等于2.4厘米。

本例中的電容只能對(duì)它周圍2.4厘米范圍內(nèi)的電源噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，即它的去耦半徑2.4厘米。不同的電容，諧振頻率不同，去耦半徑也不同。對(duì)于大電容，因?yàn)槠渲C振頻率很低，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)非常長(zhǎng)，因而去耦半徑很大，這也是為什么我們不太關(guān)注大電容在電路板上放置位置的原因。對(duì)于小電容，因去耦半徑很小，應(yīng)盡可能的靠近需要去耦的芯片，這正是大多數(shù)資料上都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。