去耦電容的選擇、容值計(jì)算和布局布線

電容的安裝方法

電容的擺放

對于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率，去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠(yuǎn)，最外層放置容值最大的。但是，所有對該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。另外的一個原因是：如果去耦電容離IC電源引腳較遠(yuǎn)，則布線阻抗將減小去耦電容的效力。

還有一點(diǎn)要注意，在放置時(shí)，最好均勻分布在芯片的四周，對每一個容值等級都要這樣。通常芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的四個邊上的。因此，電壓擾動在芯片的四周都存在，去耦也必須對整個芯片所在區(qū)域均勻去耦。

電容的安裝

在安裝電容時(shí)，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也是同樣。放置過孔的基本原則就是讓這一環(huán)路面積最小，進(jìn)而使總的寄生電感最小。圖16顯示了幾種過孔放置方法。

第一種方法從焊盤引出很長的引出線然后連接過孔，這會引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做，這時(shí)最糟糕的安裝方式。

第二種方法在焊盤的兩個端點(diǎn)緊鄰焊盤打孔，比第一種方法路面積小得多，寄生電感也較小，可以接受。

第三種在焊盤側(cè)面打孔，進(jìn)一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的方法。

第四種在焊盤兩側(cè)都打孔，和第三種方法相比，相當(dāng)于電容每一端都是通過過孔的并聯(lián)接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量用這種方法。

最后一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接是可能會出現(xiàn)問題，是否使用要看加工能力和方式。

推薦使用第三種和第四種方法。

需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：有些工程師為了節(jié)省空間，有時(shí)讓多個電容使用公共過孔。任何情況下都不要這樣做。最好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計(jì)，減少電容數(shù)量。

由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容，你也可以使用20mil寬的引出線。引出線和過孔安裝如圖17所示，注意圖中的各種尺寸。

對于大尺寸的電容，比如板級濾波所用的鉭電容，推薦用圖18中的安裝方法。注意：小尺寸電容禁止在兩個焊盤間打孔，因?yàn)槿菀滓鸲搪贰?/p>

電容的去耦半徑

電容去耦的一個重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會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擺放距離問題。確實(shí)，減小電感是一個重要原因，但是還有一個重要的原因大多數(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)芯片對電流的需求發(fā)生變化時(shí)，會在電源平面的一個很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動，電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓)，就必須先感知到這個電壓擾動。信號在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間，因此從發(fā)生局部電壓擾動到電容感知到這一擾動之間有一個時(shí)間延遲。同樣，電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動區(qū)也需要一個延遲。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，對與它自諧振頻率相同的噪聲補(bǔ)償效果最好，我們以這個頻率來衡量這種相位關(guān)系。設(shè)自諧振頻率為f，對應(yīng)波長為λ，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為信號傳播速度。

當(dāng)擾動區(qū)到電容的距離達(dá)到λ/4時(shí)，補(bǔ)償電流的相位為π，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區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠(yuǎn)小于λ/4。實(shí)際應(yīng)用中，這一距離最好控制在λ/40-λ/50之間，這是一個經(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)信號在電路板上的傳播速度為166ps/inch，則波長為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。對于大電容，因?yàn)槠渲C振頻率很低，對應(yīng)的波長非常長，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)資料上都會反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。

綜上所述，在選擇去耦電容時(shí)，需要考慮的因素有電容的ESR、ESL值，諧振頻率，布局時(shí)要注意根據(jù)IC電源引腳的數(shù)目和周圍布局空間決定去耦電容數(shù)目，根據(jù)去耦半徑?jīng)Q定具體的布局位置。