芯片IC附近该放多大的滤波电容合适?

关键字 :滤波电容
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。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。

理想电容的插入损耗特性 


EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力通常用插入损耗(Insertion Loss)特性来衡量。插入损耗的定义为:没有滤波器接入时,从噪声源传输到负载的噪声功率P1和接入滤波器后,噪声源传输到负载的噪声功率P2之比,用dB(分贝)表示。图1是理想电容的插入损耗特性,可以看出,1μF电容对应的插入损耗曲线斜率接近20dB/10倍频。

---观察其中某一条插入损耗特性,当频率增加时,电容的插入损耗值是增加的,也就是说P1/P2值是增加的,这意味着系统通过电容滤波以后,能够传输到负载的噪声减少,电容滤除高频噪声的能力增强。从理想电容的公式 分析,当电容一定时,信号频率越高,回路阻抗越低,也即电容易于滤除高频的成分。从两个方面得出的结论是相同的。---再观察不同电容所对应的曲线,在频率很低的情况下,各种电容所对应的插入损耗值是近似相同的,但是随着频率的增加,小电容的插入损耗值增加的幅度较大电容要慢一些,P1/P2值增加得也就较慢,也就是说大电容更容易滤除低频噪声。因而我们在设计高速电路板时,通常在电路板的电源接入端放置一个1~10μF的电容,滤除低频噪声;在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01~0.1μF的电容,滤除高频噪声。



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。


参见上图,我们想要的最好的滤波效果是在“谷”底,就是曲线凹进去的尖尖,在这个尖尖的时候,滤波效果做好,当我们的芯片IC内部的逻辑门在10-50Mhz范围内执行的时候,芯片内部产生的干扰也在10-50Mhz,(比如51单片机),仔细看上图的曲线,0.1uF电容 (有两种,一种是插件,一种是贴片)的谷底刚好落在了这个范围内,所以能够滤除这个频段的干扰,但是,看清楚,是但是,当频率很高的时候(50-100Mhz),就不是那么回事了,这个时候0.1uF电容个滤波效果就没有0.01uF好了,以此类推,频率再高,选用的滤波电容的量级还要变小,具体怎么参考呢?参考如下

  • DC-100K 10uF以上的钽电容或铝电解
  • 100K-10M 100nF(0.1uF)陶瓷电容
  • 10M-100M 10nF(0.01uF)陶瓷电容
  • >100M 1nF(0.001uF)陶瓷电容和PCB的地平面与电源平面的电容

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