1. 旁路和去耦
先談兩個比較重要的概念:旁路電容(Bypass Capacitor),去耦電容(Decoupling Capacitor)。
只要是設計過硬件電路的同學肯定對這兩個詞不陌生,但真正理解這兩個概念的可能并不多。
Bypass:pass 是通過的意思,by pass 從靠近的地方,從旁邊通過。大路不走走小路,主路不走走輔路。
Decoupling:Couple 一對,一雙。動詞引申為配對,連接的意思。如果系統A中出現的事物(信號)引起了系統B中一事物(信號)的出現,或者反過來,那么我們就說系統A與系統B出現了耦合(Coupling)。De coupling 即減弱這種耦合。
2. 電源旁路和去耦電路例子
下面我們看一個例子,直流電源 給芯片供電。
a. 如果電源受到了干擾 (可能通過220V市電進入電源系統,一般為頻率比較高的信號),那么干擾信號會通過Power 和IC之間的電源線傳導到IC,如果干擾過強可能導致IC芯片不能正常工作。在靠近電源輸出的位置加入一個電容C1,因為電容對直流呈開路,對交流呈低阻,頻率較高的干擾信號通過C1回流到地。本來會從IC走的干擾信號此時繞過IC直接到地了,所以我們稱C1為旁路電容 (Bypass Capacitor),即把IC旁路掉了。
b. 現在的集成電路工作頻率一般比較高。當IC瞬間啟動,或切換工作頻率時,會在供電導線上造成較大的電流波動。這種波動沿著導線反向傳導到電源后,會造成電源的波動。即IC 的波動耦合到了電源。當在貼近IC的電源端口VCC放置一個電容C2后,我們知道電容有儲能的作用,可以給IC提供瞬時電流,減弱了IC 電流波動向電源的傳導。所以我們稱C2為去耦電容。
當然我們會發現旁路電容C1同時也有去耦的作用,去耦電容 C2同時也有旁路的作用。
3. 理論和實踐的距離
回到我們開始那個令人困惑的問題。我們知道電容阻抗計算公式:
阻抗 Z=1/jωC
容抗 Xc=1/ωC=1/2πfC
容抗與頻率和電容值成反比,電容越大,頻率越高則容抗越小。那么0.1uF的電容容抗比0.01uF的小10倍。對某一頻率的干擾信號來說,如果能被容抗大的0.01uF的旁路掉,那么應該更容易通過容抗更小的0.1uF的電容旁路。那多加一個0.01uF的電容不是有點兒浪費嗎?
現實的貼片電容由于引線,介質的非理想性,在一個電容器件中存在電感特性,電阻特性。對于一個特定的電容,當頻率低于某個值時元件呈容性,當頻率高于此頻率時原件呈感性。這個頻率為此電容的自諧振頻率。當我們用一個0.1uF 和一個0.01uF 的電容并聯時,相當于拓寬了濾波頻率范圍。