我们到底需要多少旁路电容器？

shuszhao

在此介绍性文章中，我会分享我个人对于电路板设计人员之间通常讨论的一个问题的看法：我们需要多少旁路电容？正如我们通常与我的Eric Bogatin说到的：“这要看具体情况了。”不过至少在一般而言，从历史的角度来看现有的设计限制，我们应该能总结出相对具体的答案。
比如图1的电脑板。

                               
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图1.一块使用二极管和晶体管的上世纪60，70年代的电脑板
这是一个旧的布满二极管和晶体管电脑板，执行一个简单的DTL门功能（二极管晶体逻辑）。它大约是生产于20世纪60年代或70年代初。在我们配电设计课程中，我利用这块电脑板提出了一个问题：你能数出这个板上有多少旁路电容么？
答案很惊人是零。为那为什么今天我们会在电路板上到处找寻位置来放置许多旁路电容，从而来降低我们电子产品的噪音呢？
现在不论是一个新的笔记本电脑或大型电脑板，我们都可以再上面找到几百甚至几千的电容。为了理解在短短数十年来发生的这一显着变化的原因，我们必须研究旁路电容的作用和旁路电容是容如何工作的。
无论是模拟或数字，所有的电子电路，最终都会生成（与/或）程序交互电信号。其运作过程中，他们取自电源的供应电流不断变化，需要根据实际运作情况来确定所需供应电流的大小。有时电路需要的电流较少，有时却很多，这中不同需求的变化，也不断改变着电源轨中的电流。这些不断变化的电流流过电线以及印刷电路板上的电源和电子器件间的布线与层面，产生出电压变化：

                               
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∆V 是电压变化, L代表在供应路径中的电感;dI/dt随时间发生改变的电流变化率。
小的电压波动会被电子器件所接受，但每个电路为了保证正常工作都会有一个最高和最低限额。我们必须设法限制电源电压的变化，否则它会因为所需电流的变化而产生变化。我们必须在电路和电源路径上的串联电感之间放置蓄存器。电容是一个很好的蓄存器，因为不同于电感，电容两端的电压（如果我们忽视它的寄生元件）将不会因为突然的电流改变而发生剧烈变化。
要确定我们什么样的，以及多少电容器，比较方便的是从频域为切入点来看问题。配电网络 (PDN)可以以许多不同形式进行模拟，从简单的集总等效电路，到详细的网格模型。对于我们现在讨论的，我想一个简单的集总等效电路就够了。
图2中的图表显示了简化的PDN等效阻抗。要创建一个熟悉Bode plot图示，我们使用对数指标log-log在坐标轴上。请注意，为了简单起见，该图表只显示阻抗值，但在以后的文章离我们会认识到，当我们使用PDN 阻抗来计算电路的表现的是很该阶段是很重要的。

                               
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图2.简化的PDN集总等效阻抗
途中蓝色的线代表了电源的阻抗，该电源可以是一个电池或电源转换器。在低频时候阻抗较低，但在更高频率的时候，导线，布线，层面的连接电感最终将占据主导地位。绿色线代表了有源器件的阻抗。如果我们将该阻抗图标对应在板封装接口处，绿色线代表了有源器件连同封装，以及封装上PDN电容的阻抗。我们称那些有源器件为“硅silicon”，但他们可以是任何类型的有源电路：在那块旧的电脑板上有源器件是锗晶体管。
综上，蓝色和绿色线产生了三角型的阻抗配置，并且在低频和高频的尾部是平坦的。如果在这个系统上不增加旁路电容，任何噪声电流每次击中这个三角峰值频率时都可能会造成很多噪音。频率轴上从左到右延伸的粗黑线是用来标明我们感兴趣的频率范围，与 PDN阻抗有联系的。我们感兴趣的频率范围并不一定是连续的频谱的一部分，特别是对连接到相同的电源电压却具有不同功能的复合电路来说。
如果要研究的频率范围不是在蓝色和绿色的曲线构成的阻抗峰值所在频率之间，那么该电路将正常工作而不需要增加旁路电容。如果电路的工作激发了阻抗峰值，那么我们需要增加旁路电容，以减少阻抗，从而降低噪音。图标上红色虚线代表一个旁路电容的阻抗，用来补充电源和有源器件的阻抗，也使宽频带的整体阻抗值变得较低。
那么，为什么在旧的电脑板上不需要旁路电容？主要是因为锗晶体管的切换缓慢，并且时钟频率十分低，即短暂的开关电流不激发PDN阻抗的高阻抗部分。
今天的高速电子产品，复杂的电路功能和高时钟频率，大部分时间我们要关心的一个频宽很宽的 PDN阻抗，因此，我们不能允许在源和负载阻抗之间有很高很明显的阻抗峰值。因此，我们需要旁路电容器。如果我们快进几十年里，我们可以很容易预测到电路板又将没有旁路电容了。
因为，当分布式电源都足够小，以至于我们可以把他们放置在非常接近负载的时候，则互连电感将变低，同时有源器件中的芯片和封装电容量将更大，这样我们将又回到电路板上不需要旁路电容的年代了。

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说的好