高速數(shù)字電路設(shè)計電容選型首選法則及實例分析

高速數(shù)字電路設(shè)計電容選型首選法則及實例分析
關(guān)鍵詞：去耦（decouple）、旁路（Bypass）、等效串聯(lián)電感（ESL）、等效串聯(lián)電阻（ESR）、
高速電路設(shè)計、電源完整性（PI）、信號完整性（SI）
高手和前輩們總是告訴我們這樣的經(jīng)驗法則：“在電路板的電源接入端放置一個1～10μF
的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1μF 的
電容，濾除高頻噪聲。”在書店里能夠得到的大多數(shù)的高速PCB 設(shè)計、高速數(shù)字電路設(shè)計的
經(jīng)典教程中也不厭其煩的引用該首選法則（老外俗稱Rule of Thumb）。但是為什么要這樣
使用呢？
首先就我的理解介紹兩個常用的簡單概念。
什么是旁路？旁路（Bypass），是指給信號中的某些有害部分提供一條低阻抗的通路。
電源中高頻干擾是典型的無用成分，需要將其在進入目標(biāo)芯片之前提前干掉，一般我們采用
電容到達該目的。用于該目的的電容就是所謂的旁路電容（Bypass Capacitor）,它利用了
電容的頻率阻抗特性（理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低，這個地球人都知道），
可以看出旁路電容主要針對高頻干擾（高是相對的，一般認(rèn)為20MHz 以上為高頻干擾，20MHz
以下為低頻紋波）。
什么是退耦？退耦（Decouple），最早用于多級電路中，為保證前后級間傳遞信號而不
互相影響各級靜態(tài)工作點的而采取的措施。在電源中退耦表示，當(dāng)芯片內(nèi)部進行開關(guān)動作或
輸出發(fā)生變化時，需要瞬時從電源線上抽取較大電流，該瞬時的大電流可能導(dǎo)致電源線上電
壓的降低，從而引起對自身和其他器件的干擾。為了減少這種干擾，需要在芯片附近設(shè)置一
個儲電的“小水池”以提供這種瞬時的大電流能力。
在電源電路中，旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲
對器件本身的干擾（自我保護）；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對電源的干擾（家丑不外
揚）。有人說退耦是針對低頻、旁路是針對高頻，我認(rèn)為這樣說是不準(zhǔn)確的，高速芯片內(nèi)部
開關(guān)操作可能高達上GHz，由此引起對電源線的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍，為此目的
的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。本文以下討論中并不刻意區(qū)分退耦和旁路，認(rèn)為都
是為了濾除噪聲，而不管該噪聲的來源。
簡單說明了旁路和退耦之后，我們來看看芯片工作時是怎樣在電源線上產(chǎn)生干擾的。我
們建立一個簡單的IO Buffer 模型，輸出采用圖騰柱IO 驅(qū)動電路，由兩個互補MOS 管組成
的輸出級驅(qū)動一個帶有串聯(lián)源端匹配電阻的傳輸線（傳輸線阻抗為Z0）。
設(shè)電源引腳和地引腳的封裝電感和引線電感之和分別為：Lv 和Lg。兩個互補的MOS 管
（接地的NMOS 和接電源的PMOS）簡單作為開關(guān)使用。假設(shè)初始時 刻傳輸線上各點的電壓
和電流均為零，在某一時刻器件將驅(qū)動傳輸線為高電平，這時候器件就需要從電源管腳吸收
電流。在時間T1，使PMOS 管導(dǎo)通，電流從PCB 板上的VCC 流入，流經(jīng)封裝電感Lv，跨越PMOS 管，串聯(lián)終端電阻，然后流入傳輸線，輸出電流幅度為VCC/（2×Z0）。電流在傳輸線
網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個完整的返回（Round-Trip）時間，在時間T2 結(jié)束。之后整個傳輸線處于電
荷充滿狀態(tài)，不需要額外流入電流來維持。當(dāng)電流瞬間涌過封裝電感Lv 時，將在芯片內(nèi)部
的電源提供點產(chǎn)生電壓被拉低的擾動。該擾動在電源中被稱之為同步開關(guān)噪聲（SSN，
Simultaneous Switching Noise；SSO，Simultaneous Switching Output Noise）或Delta
I 噪聲。
在時間T3，關(guān)閉PMOS 管，這一動作不會導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生，因為在此之前PMOS 管
一直處于打開狀態(tài)且沒有電流流過的。同時打開NMOS 管，這時傳輸線、地平面、封裝電感
Lg 以及NMOS 管形成一回路，有瞬間電流流過開關(guān)B，這樣在芯片內(nèi)部的地結(jié)點處產(chǎn)生參考
電平點被抬高的擾動。該擾動在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲（Ground Bounce，我個人讀
著地tan）。
實際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB 走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感
值，因此上面就IC 級分析的SSN 和地彈噪聲在進行Board Level 分析時，以同樣的方式存
在，而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個電源分布系統(tǒng)來說（Power Distribute System）來
說，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。因為芯片輸出的開關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作，需要
瞬時的從電源抽取較大的電流，而電源特性來說不能快速響應(yīng)該電流變化，高速開關(guān)電源開
關(guān)頻率也僅有MHz 量級。為了保證芯片附近電源線上的電壓不至于因為SSN 和地彈噪聲降低
超過器件手冊規(guī)定的容限，這就需要在芯片附近為高速電流需求提供一個儲能電容，這就是
我們所要的退耦電容。
如果電容是理想的電容，選用越大的電容當(dāng)然越好了，因為越大電容越大，瞬時提供電
量的能力越強，由此引起的電源軌道塌陷的值越低，電壓值越穩(wěn)定。但是，實際的電容并不
是理想器件，因為材料、封裝等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻
環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。我們都知道實際電容的模型簡單的以電容、電阻和電
感建立。除電容的容量C 以外，還包括以下寄生參數(shù)：
1、等效串聯(lián)電阻ESR（Resr）：電容器的等效串聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器
兩個極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有大的交流電流通過電容器，Resr 使電容器消耗能
量(從而產(chǎn)生損耗)，由此電容中常用用損耗因子表示該參數(shù)。 來源:http://tede.cn
2、等效串聯(lián)電感ESL（Lesl）：電容器的等效串聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器
兩個極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。
3、等效并聯(lián)電阻EPR Rp ：就是我們通常所說的電容器泄漏電阻，在交流耦合應(yīng)用、
存儲應(yīng)用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當(dāng)電容器用于高阻抗電路時，Rp 是一項重要
參數(shù)，理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的Rp 使電荷以RC
時間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。
還是兩個參數(shù)RDA、CDA 也是電容的分布參數(shù)，但在實際的應(yīng)該中影響比較小，這就省
了吧。所以電容重要分布參數(shù)的有三個：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、 ESL，實際在分析電容模型的時候一般只用RLC 簡化模型，即分析電容的C、ESR、ESL。因為寄生參
數(shù)的影響，尤其是ESL 的影響，實際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線，
低頻時隨頻率的升高，電容阻抗降低；當(dāng)?shù)阶畹忘c時，電容阻抗等于ESR；之后隨頻率的升
高，阻抗增加，表現(xiàn)出電感特性（歸功于ESL）。因此對電容的選擇需要考慮的不僅僅是容
值，還需要綜合考慮其他因素。包括：
1、電容容值；2、電介質(zhì)材料；3、電容的幾何尺寸和放置位置。
所有考慮的出發(fā)點都是為了降低電源地之間的感抗（滿足電源最大容抗的條件下），在
有瞬時大電流流過電源系統(tǒng)時，不至于產(chǎn)生大的噪聲干擾芯片的電源地引腳。選用常見的有
兩種方法計算所需的電容：
簡單方法：由輸出驅(qū)動的變化計算所需退耦電容的大??；
復(fù)雜方法：由電源系統(tǒng)所允許的最大的感抗計算退耦電容的大小。
我們假設(shè)一個模型，在一個Vcc＝3.3V 的SRAM 系統(tǒng)中，有36 根輸出數(shù)據(jù)線，單根數(shù)據(jù)
線的負載為Cload＝30pF（相當(dāng)?shù)拇罅耍?，輸出?qū)動需要在Tr＝2ns（上升時間）內(nèi)將負載從
0V 驅(qū)動到3.3V，該芯片資料里規(guī)定的電源電壓要求是3.3V＋0.3V/-0.165V。
可以看出在SRAM 的輸出同時從0V 上升到3.3V 時，從電源系統(tǒng)抽取的電流最大，我們
選擇此時計算所需的退耦電容量。我們采用第一種計算方法進行計算，單根數(shù)據(jù)線所需要的
電流大小為：
I＝Cload×（dV/dt）＝30pF×（3V/2ns）=45mA;
36 根數(shù)據(jù)線同時翻轉(zhuǎn)時的電流大小為Itot＝45mA×36＝1.62A。芯片允許的供電電壓降
為0.165V，假設(shè)我們允許該芯片在電源線上因為SSN 引入的噪聲為50mV，那么所需要的電
容退耦電容為：
C＝I×（dt/dV）＝1.62A×（2ns/50mV）=64nF；
從標(biāo)準(zhǔn)容值表中選用兩個34nF 的電容進行并聯(lián)以完成該值，正如上面提到的退耦電容
的選擇在實際中并不是越大越好，因為越大的電容具有更大的封裝，而更大的封裝可能引入
更大的ESL，ESL 的存在會引起在IC 引腳處的電壓抖動（Glitching），這個可以通過V＝L
×（di/dt）公式來說明，常見貼片電容的L 大約是1.5nH，那么V＝1.5nH×（1.62A/2ns）
=1.2V，考慮整個Bypass 回路的等效電感之后，實際電路中g(shù)litch 會小于該值。通過前人
做的一些仿真的和經(jīng)驗的數(shù)據(jù)來看，退耦電容上的Glitch 與同時驅(qū)動的總線數(shù)量有很大關(guān)
系。
因為ESL 在高頻時覺得了電源線上的電流提供能力，我們采用第二種方法再次計算所需
的退耦電容量。這中方法是從Board Level 考慮單板，即從Bypass Loop 的總的感抗角度進行電容的計算和選擇，因此更具有現(xiàn)實意義，當(dāng)然需要考慮的因素也就越多，實際問題的解
決總是這樣，需要一些折中，需要一點妥協(xié)。
同樣使用上面的假設(shè)，電源系統(tǒng)的總的感抗最大：
Xmax＝（dV/dI）＝0.05/1.62=31m 歐；
在此，需要說明我們引入的去耦電容是為了去除比電源的去耦電容沒有濾除的更高頻率
的噪聲，例如在電路板級參數(shù)中串聯(lián)電感約為Lserial＝5nH，那么電源的退耦頻率：
Fbypass＝Xmax/(2pi×Lserial)＝982KHz，這就是電源本身的濾波頻率，當(dāng)頻率高于此頻率
時，電源電路的退耦電路不起作用，需要引入芯片的退耦電容進行濾波。另外引入另外一個
參數(shù)——轉(zhuǎn)折點頻率Fknee，該頻率決定了數(shù)字電路中主要的能量分布，高于該頻率的分量
認(rèn)為對數(shù)字電路的上升沿和下降沿變化沒有貢獻。在High-Speed Digital Design:A Hand
Book of Black Magic 這本書的第一章就詳細的討論了該問題，在此不進行詳細說明。只是
引入其中推倒的公式：
Fknee＝（1/2×Tr）＝250MHz，其中Tr＝2ns；
可見Fknee 遠遠大于Fbypass，5nH 的串聯(lián)電感肯定是不行了。那么計算：
Ltot＝Xmax/(2pi×Fknee)＝(Xmax×Tr/pi)=19.7pH;
如前面提到的常見的貼片電容的串聯(lián)電感在1.5nH 左右，所需要的電容個數(shù)是：
N＝（Lserial/Ltot）=76 個，另外當(dāng)頻率降到Fbypass 的時候，也應(yīng)該滿足板級容抗
需要即：
Carray=(1/（2pi×Fbypass×Xmax）)＝5.23uF Celement=Carray/N=69nF;
電容選擇上都采用的MLCC 的電容進行退耦，常見的MLCC 的電容因為介質(zhì)的不同可以進
行不同的分類，可以分成NPO 的第一類介質(zhì)，X7R 和Z5V 等的第二、三類介質(zhì)。EIA 對第二、
三類介質(zhì)使用三個字母，按照電容值和溫度之間關(guān)系詳細分類為：
第一個數(shù)字表示下限類別溫度：
X：－55 度；Y：－30 度；Z：＋10 度
第二個數(shù)字表示上限溫度：
4：＋65 度；5：＋85 度；6：105 度；7：125 度；8：150 度；
第三個數(shù)字表示25 度容量誤差：

P：＋10％/-10％；R：＋15％/-15％；S：＋22％/-22％；
T：＋22％/-33％；U：＋22％/-56％；V：＋22％/-82％
例如我們常見的Z5V，表示工作溫度是10 度～85 度，標(biāo)稱容量偏差＋22％/-82％，就
這玩意兒我們還大用特用啊。 介質(zhì)性能好的電容容量做不大，容量大的介質(zhì)常量不好，生
活啊，你怎么總是這么矛盾啊！尤其重要的一點是MLCC 電容提供的電容值都是指靜電容量，
表示電容在很低的電壓下測試得到的電容量，當(dāng)電容的兩端的直流電壓在不超過電容耐壓下
加大時電容量將急劇下降，例如在某耐壓16V 的MLCC 電容的測試數(shù)據(jù)中有：
0V－－>100%，8V——>86%，12V——>68%，16V——55％。