去耦電容的擺放原則分析

相信剛畢業(yè)的大學(xué)生，剛進(jìn)單位犯錯誤是在所難免的，可能每個人都會有一個老師去帶，如果你遇到了一個認(rèn)真并且對你負(fù)責(zé)的老師帶你，那我恭喜你，你的運(yùn)氣很好，因為一開始他對你的嚴(yán)格往往會使你受益終身。當(dāng)然被別人批評永遠(yuǎn)是我們不愿意聽到的，如果你既不想被老師批評，又想自己今后進(jìn)步的很快，唯一的路徑就是努力學(xué)習(xí)了。

前面說了一些自己經(jīng)歷的感受，下面我們開始說正題了。

相信對做硬件的工程師，畢業(yè)開始進(jìn)公司時，在設(shè)計PCB時，老工程師都會對他說，PCB走線不要走直角，走線一定要短，電容一定要就近擺放等等。但是一開始我們可能都不了解為什么這樣做，就憑他們的幾句經(jīng)驗對我們來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦，當(dāng)然如果你沒有注意這些細(xì)節(jié)問題，今后又犯了，可能又會被他們罵，“都說了多少遍了電容一定要就近擺放，放遠(yuǎn)了起不到效果等等”，往往經(jīng)驗告訴我們其實那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙，我們一開始不會也不用難過，多看看資料很快就能掌握的。直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料，為什么設(shè)計PCB電容要就近擺放呢，等看了資料后就能了解一些，可是網(wǎng)上的資料很雜散，很少能找到一個很全方面講解的。工作兩年后，我看到了相關(guān)人士講的相關(guān)文章。下面這篇文章是我轉(zhuǎn)載于博士的一片關(guān)于電容去耦半徑的講解，相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問題的發(fā)生。

老師問：為什么去耦電容就近擺放呢?

學(xué)生答：因為它有有效半徑哦，放的遠(yuǎn)了失效的。

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，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，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，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)到時，補(bǔ)償電流的相位為，和噪聲源相位剛好差180度，即完全反相。此時補(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。實際應(yīng)用中，這一距離最好控制在<!--[endif]-->之間，這是一個經(jīng)驗數(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，因為其諧振頻率很低，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。