PCB設(shè)計(jì)為什么電容要就近擺放呢?因?yàn)樗杏行О霃剑诺倪h(yuǎn)了失效。電容去耦的一個(gè)重要問(wèn)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(lái)談這個(gè)擺放距離問(wèn)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(méi)有提及,那就是電容去耦半徑問(wèn)題。
如果電容擺放離芯片過(guò)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(lái)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(wú)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。
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