旁路电容器的0.1uF值从何而来?


30

几乎每个人都建议使用0.1uF的旁路电容器。为什么要这个值?我认为使用较大的值没有害处,所以它仅仅是“合理的最小值”吗?如果是这样,为什么人们追求最低价值而不是使用更高的价值-在我看来,您可以免费获得更高的价值。


2
即使作为状态更高的值的电容器可以在相同的值可以买到,较大值的电容器的频率响应低于值电容器窄,见electronics.stackexchange.com/questions/59325/...
Kvegaoro

Answers:


35

更高价值的电容器在处理芯片吸收的高频电流方面将不那么有效。在一定频率以上,电容器将开始表现得像电感器。其特性变化的值是设备的串联自谐振:-

在此处输入图片说明

因此,您会发现在微波设备上,还有100pF的电容器与大容量电容器一起作为去耦元件存在。这是一个三个电容去耦FPGA的示例:-

在此处输入图片说明

黑色曲线是所使用的所有三个电容器的复合阻抗。取自这里

旁路电容器的0.1uF值从何而来?

如果要设计无线电,则默认的去耦器可能是10nF或1nF(UHF),这在大容量和高频电容BUT之间是一个很好的折衷方案。如果您要设计真正的高速数字资料,则也可以并行使用2或3个不同的值,如上面的FPGA图片所示。


1
您能解释一下为什么它们开始表现得像电感器吗?是因为在较高的频率下,它们的阻抗会降低,直到等效串联电感接管为止?
Golaž

2
@Golaz-确切地-看一下我回答中的第二张图-它精确地表示了三个电容器,并切记PCB迹线每毫米的电感可能为1nH。
安迪(aka Andy)

密切注意Andy曲线图中黑色曲线中的反谐振峰-这就是为什么并联使用几个相同的电容器比并联使用不同值的电容器更好的原因。(当然,Ott在电磁兼容性工程中对此进行了很好的解释...)
ThreePhaseEel 2015年

实际上,这是一个不错的整数,这就是为什么它如此受欢迎的原因。有人说您应该使谐振频率与IC基频匹配,例如µCU时钟速度。其他人说,这会使电路切换更快,并产生更多的高频EMI。我认为后者是错误的,因为尖锐的边缘远远超出了基本频率。数据表的谐振频率忽略了过孔和走线,因此实际上,您必须进行实验才能使电容正确。然后是两者的结合,
〜1µF的

1
抱歉,此答案及其中的图表主要基于90年代的过时信息。电容器的高频响应与电容器的值无关,而与电容器的封装有关。今天,您可以以0603甚至0402封装获得10µF陶瓷。将100nF的电容与10pF的相同物理尺寸的电容并联在一起是毫无意义的。看到这个的多得多了最新的答案,包括现代图:electronics.stackexchange.com/questions/327975/...
邓肯·布洛林

9

并非每个人都建议使用0.1uF作为去耦电容,尽管它是74HC和单栅极逻辑的良好起点。Kevegaro 在这里的答案是一个很好的答案。

例如,对于Xilinx FPGA,这是旁路电容器的一项建议

在此处输入图片说明

他们建议每个设备使用33个具有三个不同值的电容器。


这也引出了我的另一个问题:为什么他们建议使用多个不同的值?仅仅是因为不可能使100uF电容器足够靠近器件吗?编辑:没关系,安迪的答案回答了这个问题。
Timmmm 2015年

是的,安迪相当彻底地回答了这个问题!
Spehro Pefhany,2015年

推荐使用这三个值是奇怪的-每个轨线都有一个油箱盖,然后每个电源引脚至少有一个0.1uF,这比尝试节省电容盖要有意义得多,但要冒因反谐振峰值而导致故障的风险,特别是对于可编程器件时钟可能正常的设备...任何东西!
ThreePhaseEel 2015年

4

安迪的解释是优美而深入的。如果您发现难以理解,则可以帮助您直观地了解去耦的工作原理。在您的脑海中,想象一下您的电路板的3D视图,它具有负载(IC等)和电源。负载可能突然“请求”来自电源的更多电流,但是在跟踪距离和走线电阻上,来自电源的电流到达负载需要花费时间。此外,电源本身的内置电阻或开关电源检测新电流需求并进行调整(电源带宽)的时间也是一个因素。简而言之,电源不能立即提供电流,需要时间。

当负载正在等待电流到达时,除了拉低电压以补偿“缺失”电流外,别无选择。它必须遵守定律V = IR,负载减小,其电阻(R)才能“表明”它需要更多的功率,没有立即可用的更多电流,因此我保持不变,因此V必须减小以进行补偿。

那么我们该如何解决呢?我们在负载附近放置了一些电容器。这些电容器几乎没有“电荷库”,在过剩需求期间,负载可以快速撤出,比等待电流从电源流出的速度更快。为什么会更快?因为电容器和负载之间的距离更短,并且因为电容器的内置电阻比电源小得多。如果“ I”立即可用,则“ V”不需要补偿-每个人都很高兴。

尽管电容器比电源要快得多,但电容器还需要时间来“放电”,并根据其内部电阻(随容量(法拉)增加)向负载提供功率。简而言之,较大的电容器需要更长的时间来提供所需的电流。因此,您想选择一个旁路电容器,该电容器应足够快以响应负载,但在电源电流流向负载时,还要保持足够的电荷来满足需求。

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

如前所述,对于通用逻辑,在响应时间和旁路电容的容量要求与负载要求之间进行了很好的权衡。您可以拿出计算器,找出确切的最佳价值,但也要考虑物料清单成本。如果将每个旁路电容器调整到其负载,最终将在BOM上包含更多的行项目,并且很快就会变得昂贵!对于大多数逻辑电路或高速电路而言,0.1uF通常是一个好选择。0.01uF(100nF)。在您的BOM内节省资金,您可以在应用程序的限制范围之内。

对于经常改变电流需求的负载(高频负载),还有其他绕过响应时间和旁路电容器容量问题的方法。您可以:

  1. 使用具有更高带宽的更好的电源调节器,这样就无需花费很长时间就可以从电源获得负载。
  2. 将两个电容器并联。两个并联的电阻器降低了总电阻,并且与电容器的内部电阻没有什么不同。因此,组合电容器具有增加的容量增加的响应时间!
  3. 您可以使用容量不同,大伙伴和小伙伴的平行瓶盖。所以一个可能是0.01uF,另一个可能是0.1uF。第一个具有快速响应,第二个具有响应滞后性,但可以提供更长的电流。
  4. 您也可以在电路中分配电容,但不一定要在负载点上。这种电荷库的响应速度比源电源快,因此您可以在负载处使用较小的旁路电容器,因为您知道分布式电荷库将弥补电源的不足。

这是所有内容的简化视图。还有更多因素,尤其是在高速电路中。但是,如果您可以将电路中发挥作用的基本电气原理想象成一个动态的供需系统,那么我们读到的许多“最佳实践”将成为常识。一个简单的比喻可能是亚马逊的供应链。他们的目标是:在美国任何地方尽快提供物品。他们的解决方案是,仓库靠近每个城市,减少了从仓库和卡车中取出物品的响应时间。接下来是无人机交付。这是供需双方在响应时间和容量与每个分发节点的大小和成本之间进行权衡的后勤斗争

来自EEVBlog的关于并联电容器因素的非常好的视频:https : //www.youtube.com/watch?v= wwANKw36Mjw


只是简要地遵循您的建议:1.有助于降低存储电容的需求,尽管速度不足以应付大多数数字开关产生的尖峰; 2.是一个很好的选择,尤其是缩放到10或20时设备的电容,而不是2或3(对于大芯片,我的经验法则是每个电源引脚1 100nF电容),3并不是那么好,因为反谐振尖峰会在板上产生噪声峰值(仔细观察Andy的图表再次出现!),以及4.是一个出乎意料的好建议(查找“埋入电容”技术是一个例外的例子)
ThreePhaseEel 2015年

一个很好的简单答案,尽管从安迪的答案看来,实际上是电感是限制因素,而不是电阻。
Timmmm

是。我没有比方说电感,但这绝对重要。确实,我应该在上面的阻抗一词中使用阻抗一词,因为这是电感,电阻和频率的一个因素……电阻听起来对人来说更简单。电阻为0Hz电阻,阻抗为一定频率下的电阻。
guru_florida 2015年

1

建议使用90n和80s等多个值,例如100nF + 10µF,这时100nF是具有良好高频响应的现成的最高易得陶瓷电容器。10µF电容器将是高频性能较差的电解或钽电容器。

今天,情况已经完全改变了。现在,您可以轻松地以0603甚至0402封装购买10µF陶瓷。对于陶瓷电容器,高频响应与电容器的值无关,而与电容器的封装尺寸有关。

对于现代电容器,将100nF与10pF并联通常是没有意义的。

您可以在下图中轻松地看到,只要封装尺寸相同,现代高值陶瓷电容器就可以与高频低值电容器一样好。(小的负下降是谐振频率。您不希望依靠去耦电容器的谐振频率,因此应忽略这些下降)

现代陶瓷电容器的频率响应

(图片来源:Analog Dialogue 2005年9月-高速印刷电路板布局实用指南

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.