资深工程师谈高速数字系统的滤波电容

A-Lin

资深工程师谈高速数字系统的滤波电容

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我们在电源滤波电路上可以看到各种各样的电容，100uF，10uF，100nF，10nF不同的容值，那么这些参数是如何确定的？

　　数字电路要运行稳定可靠，电源一定要”干净“，并且能量补充一定要及时，也就是滤波去耦一定要好。什么是滤波去耦，简单的说就是在芯片不需要电流的时候存储能量，在你需要电流的时候我又能及时的补充能量。不要跟我说这个职责不是DCDC、LDO的吗，对，在低频的时候它们可以搞定，但高速的数字系统就不一样了。

　　先来看看电容，电容的作用简单的说就是存储电荷。我们都知道在电源中要加电容滤波，在每个芯片的电源脚放置一个0.1uF的电容去耦。等等，怎么我看到要些板子芯片的电源脚旁边的电容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么讲究吗。要搞懂这个道道就要了解电容的实际特性。理想的电容它只是一个电荷的存储器，即C。而实际制造出来的电容却不是那么简单，分析电源完整性的时候我们常用的电容模型如下图所示。

　　

　　图中ESR是电容的串联等效电阻，ESL是电容的串联等效电感，C才是真正的理想电容。ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的，没法消除。那这两个东西对电路有什么影响。ESR影响电源的纹波，ESL影响电容的滤波频率特性。

　　我们知道电容的容抗Zc=1/ωC，电感的感抗Zl=ωL，（ ω=2πf），实际电容的复阻抗为Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf  L-1/j2πf  C。可见当频率很低的时候是电容起作用，而频率高到一定的时候电感的作用就不可忽视了，再高的时候电感就起主导作用了。电容就失去滤波的作用了。所以记住，高频的时候电容就不是单纯的电容了。实际电容的滤波曲线如下图所示。

　　

　　上面说了电容的等效串联电感是电容的制造工艺和材料决定的，实际的贴片陶瓷电容的ESL从零点几nH到几个nH，封装越小ESL就越小。

　　从上面电容的滤波曲线上我们还看出并不是平坦的，它像一个’V’，也就是说有选频特性，在时候我们希望它是越平越好（前级的板级滤波），而有时候希望它越越尖越好（滤波或陷波）。影响这个特性的是电容的品质因素Q，  Q=1/ωCESR，ESR越大，Q就越小，曲线就越平坦，反之ESR越小，Q就越大，曲线就越尖。通常钽电容和铝电解有比较小的ESL，而ESR大，所以钽电容和铝电解具有很宽的有效频率范围，非常适合前级的板级滤波。也就是在DCDC或者LDO的输入级常常用较大容量的钽电容来滤波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的电容来去耦，陶瓷电容有很低的ESR。

　　说了那么多，那到底我们在靠近芯片的管脚处放置0.1uF还是0.01uF，下面列出来给大家参考。

　　

　　所以，以后不要见到什么都放0.1uF的电容，有些高速系统中这些0.1uF的电容根本就起不了作用。

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学习了，谢谢