實(shí)際電容及其寄生效應
圖1所示為實(shí)際電容的模型。電阻RP代表絕緣電阻或泄漏，與標稱(chēng)電容(C)并聯(lián)。第 二個(gè)電阻RS（等效串聯(lián)電阻或ESR）與電容串聯(lián)，代表電容引腳和電容板的電阻。
電感L（等效串聯(lián)電感或ESL）代表引腳和電容板的電感。電阻RDA和電容CDA一起構成稱(chēng)為電介質(zhì)吸收(DA)現象的簡(jiǎn)化模型。在采樣保持放大器(SHA)之類(lèi)精密應用中使用電容時(shí)，DA可造成誤差。但在去耦應用中，電容的DA不重要，予以忽略。
圖2顯示了不同類(lèi)型的100 μF電容的頻率響應。理論上，理想電容的阻抗隨著(zhù)頻率提高而單調降低。實(shí)際操作中，ESR使阻抗曲線(xiàn)變得平坦。隨著(zhù)頻率不斷升高，阻抗由于電容的ESL而開(kāi)始上升。"膝部"的位置和寬度將隨著(zhù)電容結構、電介質(zhì)和電容值而變化。因此，在去耦應用中，常?？梢钥吹捷^大值電容與較小值電容并聯(lián)。較小值電容通常具有較低ESL，在較高頻率時(shí)仍然像一個(gè)電容。電容并聯(lián)組合覆蓋的頻率范圍比組合中任何一個(gè)電容的頻率范圍都要寬。
所有電容的阻抗曲線(xiàn)都與圖示的大致形狀類(lèi)似。雖然實(shí)際曲線(xiàn)圖有所不同，但大致形狀相同。小阻抗由ESR決定，高頻區域由ESL決定，而后者在很大程度上受封裝樣式影響。
去耦電容類(lèi)型
電解電容系列具有寬值范圍、高電容體積比和廣泛的工作電壓，極 佳的高性?xún)r(jià)比低頻濾波器元件。該系列包括通用鋁電解開(kāi)關(guān)類(lèi)型，提供10 V以下直至約500 V的工作電壓，大小為1 μF至數千μF不等（以及成比例的外形尺寸）。
所有電解電容均有極性，因此無(wú)法耐受約1 V以上的反向偏置電壓而不造成損壞。此類(lèi)元件具有相對較高的漏電流（可能為數十μA），具體漏電流在很大程度上取決于特定系列的設計、電氣尺寸、額定電壓及施加電壓。不過(guò)，漏電流不可能基本去耦應用的主要因素。
大多數去耦應用不建議使用通用鋁電解電容。不過(guò)，鋁電解電容有一個(gè)子集"開(kāi)關(guān)型"，其設計并規定用于在高達數百kHz的頻率下處理高脈沖電流，且損耗很低。此類(lèi)電容在高頻濾波應用中可直接媲美固態(tài)鉭電容，且具有更廣泛的可用值。
固態(tài)鉭電解電容一般限于50 V或更低的電壓，電容為500 μF或更低。給定大小時(shí)，鉭電容比鋁開(kāi)關(guān)電解電容呈現出更高的電容體積比，且具有更高的頻率范圍和更低的ESR。鉭電容一般也比鋁電解電容更昂貴，對于浪涌和紋波電流，必須謹慎處理應用。
使用有機或聚合物電解質(zhì)的高性能鋁電解電容也已問(wèn)世。這些電容系列擁有略低于其他電解類(lèi)型的ESR和更高的頻率范圍，另外低溫ESR下降也小。此類(lèi)元件使用鋁聚合物、特殊聚合物、POSCAP?和OS-CON?等標簽。
陶瓷或多層陶瓷(MLCC)具有尺寸緊湊和低損耗特性，通常數MHz以上的首 選電容材料。不過(guò)，陶瓷電介質(zhì)特性相差很大。對于電源去耦應用，一些類(lèi)型優(yōu)于其他類(lèi)型。采用X7R的高K電介質(zhì)配方時(shí)，陶瓷電介質(zhì)電容的值高可達數μF。Z5U和Y5V型的額定電壓高可達200 V。X7R型在直流偏置電壓下的電容變化小于Z5U和Y5V型，因此較佳選擇。
NP0（也稱(chēng)為COG）型使用介電常數較低的配方，具有標稱(chēng)零TC和低電壓系數（不同于較不穩定的高K型）。NP0型的可用值限于0.1 μF或更低，0.01 μF更實(shí)用的上限值。
多層陶瓷(MLCC)表面貼裝電容的極低電感設計可提供近乎優(yōu)的RF旁路，因此越來(lái)越頻繁地用于10 MHz或更高頻率下的旁路和濾波。更小的陶瓷芯片電容工作頻率范圍可達1 GHz。對于高頻應用中的這些及其他電容，通過(guò)選擇自諧振頻率高于高目標頻率的電容，可確保有用值符合需要。
薄膜型電容一般使用繞線(xiàn)，增加了電感，因此不適合電源去耦應用。此類(lèi)型更常用于音頻應用，此時(shí)需要極低電容和電壓系數。
務(wù)必選擇擊穿電壓至少為電源電壓兩倍的電容，否則當電路上電時(shí)，可能會(huì )發(fā)生意外。
不 良去耦技術(shù)對性能的影響
圖3顯示1.5 GHz高速電流反饋運算放大器AD8000的脈沖響應。兩幅示波器圖均利用評估板獲得。左側曲線(xiàn)顯示正確去耦的響應，右側曲線(xiàn)顯示同一電路板上去除去耦電容后的響應。兩種情況中，輸出負載均為100 Ω。
對AD8000運算放大器性能的影響
示波器圖說(shuō)明，沒(méi)有去耦時(shí)，輸出表現出不 良響鈴振蕩，這主要因為電源電壓隨負載電流變化而偏移。
現在考察正確及錯誤去耦對14位、105 MSPS/125 MSPS高性能數據轉換器ADC AD9445 的影響。雖然轉換器通常無(wú)PSRR規格，但正確去耦仍非常重要。圖4顯示正確設計電路的FFT輸出。這種情況下，我們使用AD9445的評估板——注意頻譜很干凈。
去耦時(shí)AD9445評估板的FFT圖
AD9445的引腳排列如圖4所示。請注意，電源和接地引腳有多個(gè)。為了降低電源阻抗（并聯(lián)引腳）。
模擬電源引腳有33個(gè)。18個(gè)引腳連接到AVDD1（電壓為3.3 V ± 5%），15個(gè)引腳連接到AVDD2（電壓為5 V ± 5%）。DVDD（電壓為5 V ± 5%）引腳有4個(gè)。在本實(shí)驗所用的評估板上，每個(gè)引腳有0.1 μF陶瓷去耦電容。此外，沿電源走線(xiàn)還有數個(gè)10 μF電解電容。
圖6顯示了從模擬電源去除去耦電容后的頻譜。請注意，高頻雜散信號增加了，還出現了一些交調產(chǎn)物（低頻成分）。信號SNR已顯著(zhù)降低。本圖與上圖的唯 一差異去除了去耦電容。
圖7顯示從數字電源去除去耦電容的結果。注意雜散同樣增加了。另外應注意雜散的頻率分布。這些雜散不僅出現在高頻下，而且跨越整個(gè)頻譜。本實(shí)驗使用轉換器的LVDS版本進(jìn)行?？梢韵胂?，CMOS版本會(huì )更糟糕，因為L(cháng)VDS的噪聲低于飽和CMOS邏輯。
這些實(shí)驗表明，除去大多數或所有去耦電容會(huì )導致性能降低，但要分析或預測除去一兩個(gè)去耦電容的影響是很困難的。當拿不定主意時(shí)，*佳策略是放上電容。雖然成本略有增加，但消除了性能降低的風(fēng)險，這樣做通常是值得的。
去耦總結
關(guān)于去耦的內容還有很多，但我們希望大家對其在實(shí)現系統期望性能方面所起的作用有了一個(gè)大致了解。這些文章中的基本綱要說(shuō)明了關(guān)鍵概念，欲了解詳細信息，請參閱其他參考資料。另一個(gè)寶貴的指導資源是制造商的評估板，大部分IC產(chǎn)品都有相應的評估板。很多情況下，您只需下載原理圖、布局和元件列表，然后了解關(guān)于去耦做了些什么，而不必實(shí)際購買(mǎi)評估板。您可以確信，這些評估板的設計非常用心，旨在實(shí)現待評估IC的*佳性能。
現在我們用圖8所示的傳統電路測驗結束本文。
三個(gè)理想電容充電到所示電壓。先閉合S1，再閉合S2之后，該組電容的終電壓是多少？如果開(kāi)關(guān)閉合的先后順序相反，該組電容的終電壓是多少？