芯片IC每个电源引脚旁边的电容的作用、选择和放置?

2022-12-5 16:32:00
  • 芯片IC每个电源引脚旁边的电容的作用、选择和放置?

一、作用

  我们经常在看见一下IC的引脚旁边都有一些电容,或者有在画电路的时候会发现IC电源脚旁边都会画一个0.1uF的电容或者画0.1uF和10uF一大一小的电容,那它的作用是什么呢?

  首先我们来看如果没有电容的情况下,会出现什么情况。IC工作过程中,不像纯电阻一样,电压固定电流就固定了,IC的电源电流的有波动的,又加上走线是有电阻的,那么电流的波动必然会导致电压的波动,如果电流波动还很大,那么就算动态特性再好的电源,它的电压都是会波动的,又加上电源有纹波,那么工作中电源电压是不稳定的。再加上一个完整的电路上不止有电源,还有各种信号,难免会有电源一起并在一起走线,那么电源多多少少都会被耦合,有些频率还有点高,那么耦合量会更大。综上所述,电源上是有很多噪声的,如下图所示。

没有电容的IC电路

  这是时候,如果IC对电源要求高,或者做精密仪器,小信号处理这种电源噪声就是没有办法接受的那么我们有什么办法把这些噪声去掉,让电源变干净呢?我们知道噪声是有频率的,根据容抗公式可以知道相同容量的电容在不同频率下有不同的容抗,那么选择一个合适的电容,让他在噪声的频率段的容抗很小,让噪声往电容这个通路流到地上,而到IC电源的噪声就少了,如下图所示。

有电容的IC电路

二、选择

  前面提到选择一个合适的电容,那么什么叫合适呢?根据前面介绍应该是在噪声频率段容抗要小,那根据容抗公式XL=1/2πfC,电容越大不就越小吗?事实上是这样吗?我们先看看用SimSurfing 得到的三星电容频率特性曲线。

10uF、0.1uF和0.01uF电容的频率特曲线

  可以发现,10uF的电容在1MHz以后就在表现为容性了,而是感性,具体原因可以参考前面我的一篇文章电容的伏安关系是什么,它的实际电路模型又是什么样子?,那么我们就要根据噪声频段选择一个电容,大多数情况下,经验就是选择0.1uF的电容,一般是这样选,但是有些人就把它变成像口诀一样,这样太死板,不好。我们要根据自己的电路频率来选择电容大小。

  有时候我我们会看见会有一大一小的电容并联使用,原因是噪声的频率段比较广,还有就是像突然抽大电流导致电压波动的频率是很低的,那么又加上电容频率特性,大电容在频率高到一定程度时,电容会从容性变成感性,大电容对高频段的噪声就起不了好的效果,而小电容由于容量小,因此体积可以做得很小,缩短了引线,就减小了ESL,谐振的频率点越高,更加适用于高频,但是低频小电容又没有太大的效果,所以通过一大一小的电容并联就可以保证所有噪声频段的滤波。

三、放置

  电容尽量放到靠近IC引脚处,并且要经过电容再到IC 引脚,而且电源分支尽量在进电容前进行,因为如果摆放很远的话,电容滤除噪声后的电源会在这个段路径上又串扰进新的噪声,那么这个电容的作用就没有太大的意义。如果IC有很多电源引脚,那么每个IC引脚都要有一个小电容,大电容一个就可以,放在主路上,如下图。

电容放置示意图

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