深度解析旁路电容工作原理是什么，深度解析旁路电容工作原理

很多朋友对深度解析旁路电容工作原理是什么，深度解析旁路电容工作原理不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

旁路电容器是能够旁路和滤除高频电流和低频电流混合的交流电中的高频成分的电容器。对于同一电路，旁路电容以输入信号中的高频噪声为滤波对象，滤除前级携带的高频杂波，而去耦（也称去耦）电容则以输出信号为滤波对象。干扰作为过滤对象。

能够旁路和滤除高频电流和低频电流混合的交流信号中的高频成分的电容器称为“旁路电容器”。旁路电容的主要作用是产生交流分流，从而消除进入敏感区域的不需要的能量，即当高频和低频混合的信号通过放大器放大时，只允许通过通过一定的阶段。如果下一级输入的是低频信号，不需要高频信号输入，则在本级输入端加一个适当大小的接地电容，这样就可以方便地接收高频信号。通过这个电容旁路（这是因为电容对高频的阻抗较小），而低频信号由于电容对它的阻抗较大而被送到下一级进行放大。

旁路电容并不是一个理论概念，而是一种经常使用的实用方法。电子管或晶体管需要偏置，这是为了确定工作点的直流供电情况。例如，电子管的栅极常常要求相对于阴极具有负电压。为了在直流电源下工作，在阴极与地之间串接一个电阻，通过板流形成阴极对地的正电位，栅极直流接地。这种偏置技术称为“自偏置”，但对于（AC）信号来说，它也是一种负反馈。为了消除这种影响，需要在该电阻上并联一个足够大的电容，称为旁路电容。

旁路电容（旁路电容）在高速数字逻辑电路中尤为常见。其作用是在正常通道（信号或电源，本文以电源旁路电容为例）旁边建立另一个对高频噪声成分阻抗较低的通道。通道，从而滤除有用信号中的高频噪声成分，因而得名，如下图所示：

通常我们看到的旁路电容的位置如下图所示：

如果是高密度BGA（球栅阵列）封装的芯片，旁路电容通常放置在PCB的底层（芯片正下方），这些旁路电容将连接到芯片的电源和地。扇出过孔后的芯片。引脚连接，如下图所示：

更重要的是，很多高速处理器芯片（通常是BGA封装）在出厂时芯片上都附有旁路电容，如下图所示：

台式电脑的CPU（中央处理单元）一般都安装有CPU插座，很多CPU芯片的背面（芯片的背面，不是贴有芯片的PCB板的背面）也有很多旁路电容，如下图所示：

总之，旁路电容的位置总是会靠近主芯片。原理图设计工程师在设计电路时，通常会标记这些旁路电容的PCB LAYOUT点，以指导PCB Layout工程师。如下所示：

所以这里有两个问题：

(1)为什么旁路电容必须尽可能靠近主芯片？

(2) 为什么大多数旁路电容的值为0.1uF(104)？这是巧合吗？

要弄清楚这两个问题，首先我们应该了解旁路电容的含义。很多人分不清滤波电容和旁路电容的区别。其实两者本质上没有什么区别，只是对电容的要求有细节上的不同。不同的。无论电容器的应用名称是什么，基本（也是共同）的特性永远不会改变：储能。电容器的这一特性减少了外部电源波动时对与电容器并联的物体两端电压的影响，如下图所示：

上图中，我们使用开关K1来模拟干扰源。显然，每次开关K1闭合或断开，在电阻R1和R2之间的分压下，电阻R2两端的电压（VDD）都会实时跟随。变化（即波动较大），但电压幅值不一致，我们认为开关管的开关动作产生了电源噪声。

当我们在VDD节点和公共地之间并联一个电容C1时，如下图所示：

由于电容C1的储能功能，当开关K1导通/关断时，电容的充放电行为会让VDD更加平缓，如下图所示：

如果电容值比较大（一般在10uF以上，也有几千微法的），我们称之为滤波电容，它可以滤除低频干扰成分（但对高频成分不起作用），如果这个电容的值比较小（一般在1uF以下），我们称之为旁路电容，可以滤除高频成分（对低频成分不起作用）。这两个电容起到滤波的作用，如下图：

（本文中滤波器和旁路的区别仅限于数字电路，意在说明两者的区别，仅供参考，因为模拟电路中很多容量大的电容也是旁路电容，比如基本的放大器。电路中在发射极电阻两端并联一个电容，但本质是一样的）

当然，我们也可以将模拟电源扰动开关K1放置在下图所示的位置。同理，电容C1也可以在一定程度上减弱干扰对VDD的影响：

对于旁路电容的应用电路，开关K1和电阻R2是干扰源，我们可以将它们等效到芯片内部，如下图所示：

我们用74HC04（6个反相器）芯片来分析一下。虽然电路规模很小，但原理是一样的。正如我们在“逻辑门”系列文章中提到的，CMOS反相器的基本结构如下图所示：

我们将此逆变器安装到上述电路中，如下图所示：

其中电容CL是芯片内部的等效负载电容，一般为几个pF，在数字集成电路中客观存在。即使逆变器输出没有连接额外的负载，芯片在切换（充电）时也会消耗一定的功率。

假设芯片逻辑输入电平从高H变为低L（低L变为高H同理，本文不再赘述），PMOS（上侧圈出的部分）导通，NMOS关闭。此时，当前路径如下图：

由于电容CL两端的电压不能突变，因此瞬时充电电流（充电）并不小。该充电电流来自电源VDD。如果附近有旁路电容，则旁路电容中存储的电荷将提供此消耗。如下所示：

有人可能会说：即使旁路电容C1离芯片太远或者没有直流电源V提供VDD呢？是否也应该能够承担提供电力的责任？没错，当芯片产生的噪声成分属于低频时，是完全有可能的，但是当数字电路在高低电平切换时情况就完全不同了，因为开关的切换会产生高频成分具有丰富的谐波。

需要注意的是，这个谐波频率分量的电平并不是指信号的开关频率，而是取决于高低电平开关的上升或下降速率，即上升时间tr（上升时间）以及下降时间tf（下降时间），如下图所示：

高低电平转换时间越短，产生的谐波（高频）成分就越丰富。因此，低速开关并不意味着高频成分较少。信号频率为1MHz。正弦波要高得多，因为方波的高低切换时间很短，而正弦波相对很慢。

因此，数字电路应采用如下图所示的高频等效电路：

其中L :1、L :2、L :3、L4 为线路（包括过孔、引脚、走线）在高频时的等效电感。线路越长，等效电感越大。这些等效电感对高频信号相当于高阻抗，有利于抑制前级的高频干扰，但同时对高频信号产生的干扰也有抑制作用。芯片内部的开关切换（后级）。作用是在旁路电容（或进一步的直流电源V）与芯片之间形成障碍，使VDD供电端无法及时获得足够的电荷，进而导致VDD瞬间下降（即劣化） 。这个电压变化可以用下面的公式来表达：

在大规模数字集成电路中，会有数千个等效开关同时切换，这些切换产生的瞬时电流会使原本看似稳定的电源电压不再干净，进而使芯片工作不稳定，类似如下所示：

因此，我们通常将旁路电容尽可能靠近芯片放置，使旁路电容与芯片之间的引脚或走线的分布电感更小，从而保证芯片能够及时获得足够的电荷。电路规模较大的芯片（如奔腾处理器）会同时拥有更多的开关逻辑，因此需要更多的电荷来补充功耗，需要并联更多的外部旁路电容，如图如下图所示：

旁路电容的作用和现实生活中扑灭小火的水龙头是一样的：如果家里发生小火（相当于高频电源扰动），最快的反应一定是来自家里的水源（相当于旁路电容）去取水来扑灭，而不是立即拨打119。 119火灾报警器扑灭火灾的能力（相当于外接电源V）绝对是最强的，最适合大型火灾（相当于低频电源扰动），但对于频繁发生的小火灾几乎没什么用处。不行，你过来就全部烧掉了（电路不正常），家里的水龙头还能用。虽然水源比较少，但是生小火也足够了。

也许有人会说：何必这么麻烦，为什么要并联那么多小电容呢？不就是几个储能电容吗，如果我在附近并联一个10uF或者100uF的电容不就全部解决了吗？一个就值几千，PCB布局和布线更简单吧？理想很丰满，现实很骨感。从纯储能的角度来说，是没有问题的！但旁路电容还有另一个重要的作用：为每个高频信号提供良好的低阻抗返回路径，从而控制信号之间的串扰。

如下图所示，当门C输出切换为高电平时，电池电源V会对负载电容CL充电，这个电流环路会产生瞬时噪声电压（相当于L：1、L2） ），如果同时门A的输出也切换为高电平，则门C产生的噪声电压就会叠加在VDD上，从而影响输出电平。

也就是说，其他门的噪声电压（也称为共路噪声）被转移到A门的输出端。同时进行的逻辑开关越多，产生的共路噪声就越大。一旦叠加在VDD 上的共路噪声超过芯片的噪声容限，电路就无法有效判断高低电平而导致异常，如下图：

为了改善这种常见噪声的影响，我们可以在每个芯片附近放置容量合适的旁路电容，旁路电容会在电源和地之间建立一个低阻抗环路，这样高频噪声就不会出现。影响其他门的正常工作，如下图：

在实际应用中，我们会使用电源层和接地层（以减少分布电感，这些属于高速PCB设计内容，我们将在系列专栏中详细讲解），并配合旁路电容提供良好的低阻抗循环，如下图所示：

但我们在《电容》一文中已经介绍过，实际的电容是有其自谐振频率的，当频率高于自谐振频率时，电容就相当于一个电感，即不再是一个电感。电容器。我们还计算出10uF贴片陶瓷电容的自谐振频率约为1.6MHz。假设我们的芯片工作在10MHz（谐波频率成分甚至会达到100MHz以上），那么并联的10uF电容就相当于不存在（对于高频噪声成分相当于开路），因此，如果容量旁路电容太大，将无法达到高频旁路的效果。另外，并联多个小电容还可以提高整体电容的自谐振频率，可以参考《电容》一文

作为旁路电容，电容值一般不大于1uF（根据《电容》一文所示的1nH ESL计算自谐振频率约为5MHZ，同类型电容的容量越小，自谐振频率越高），那么旁路电容至少应该多大？下一节我们将结合数据手册定量计算0.1uF电容的由来。

以上知识分享希望能够帮助到大家！