关于电容的摆放半径问题

电容的摆放 By 冷叶兮 当我们 PCB 布线的时候，往往需要摆放很多的电容，如去耦电 容，旁路电容，隔直电容，有时候我们可能往往不会在意这些电 容的摆放位置，然后最后出来的东西可能效果不是很好，殊 不知正是由于这些电容摆放的位置不好而引起的。下面来说说关 于去耦电容的摆放。 电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。大多数资料中都会提到电容 摆放要尽量靠近芯片，多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离 问题。确实， 减小电感是一个重要原因，但是还有一个重要的原因大多数资料 都没有提及，那就是电容去耦半径问题。如果电容摆放离芯片过远，超出了它 的去耦半径，电容将失 去它的去耦的作用。 理解去耦半径最好的就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关 系。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内 产生电压扰动， 电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰 动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知 到这一扰动之间有一个时 间延迟。同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一 个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。 例如：0.001uF 陶瓷电容，如果安装到电路板上后总的寄生电感为 1.6nH，那么 其安装后的谐振频率为 125.8MHz，谐振周期为 7.95ps。假设信号在电路板上的 传播速度为 166ps/inch，则波长为 47.9 英寸。电容去耦半径为 47.9/50=0.958 英寸，大约等于 2.4 厘米。 特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好，我们以这个频率来衡量这种相位关系。设自谐 振频率为 f，对应波长为 L，补偿电流达式可写为： 其中，A是电流幅度，R为需要补偿的区域到电容的距离，C为信号传播速度。 当扰动区到电容的距离达到 L/4时，补偿电流的相位为 pi=3.14，和噪声源相位刚好差 180度，即完全反相。 此时补偿电流不再起作用，去耦作用失效，补偿的能量无法及时送达。为了能有效传递补偿能量，应使噪 声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多，如 果距离为 0，则补偿能量百分之百传递到扰动区。这就要求噪声源距离电容尽可能的近，要远小于 L/4。实 际应用中，这一距离最好控制在 L/50~L/40 之间，这是一个经验数据。 本例中的电容只能对它周围 2.4 厘米范围内的电源噪声进行补偿，即它 的去耦半径 2.4 厘米。不同的电容，谐振频率不同，去耦半径也不同。对于大 电容，因为 其谐振频率很低，对应的波长非常长，因而去耦半径很大，这也是 为什么我们不太关注大电容在电路板上放置位置的原因。对于小电容，因去耦 半径很小，应尽可能 的靠近需要去耦的芯片，这正是大多数资料上都会反复强 调的，小电容要尽可能近的靠近芯片放置。