深度解讀旁路電容工作原理及存在意義

旁路電容（bypass capacitor）在高速數(shù)字邏輯電路中尤為常見，它的作用是在正常的通道（信號或電源，本文以電源旁路電容為例）旁邊建立另外一個(gè)對高頻噪聲成分阻抗比較低的通路，從而將高頻噪聲成分從有用的信號用濾除，也因此而得名，如下圖所示：

通常我們見到的旁路電容位置如下圖所示：

如果是高密度BGA（Ball Grid Array）封裝芯片，則旁路電容通常會放在PCB底層（芯片的正下方），這些旁路電容會使用過孔扇出（Fanout）后與芯片的電源與地引腳連接，如下圖所示：

更有甚者，很多高速處理器芯片（通常也是BGA封裝）在出廠時(shí)，已經(jīng)將旁路電容貼在芯片上，如下圖所示：

臺式電腦的CPU（Central Processing Unit）一般都是用CPU插槽進(jìn)行安裝，很多CPU芯片的背面（是芯片的背面，而不是貼芯片的PCB板背面）也會有很多旁路電容，如下圖所示：

總之，旁路電容的位置總是會與主芯片越來越靠近，原理圖設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，也通常會將這些旁路電容的PCB LAYOUT要點(diǎn)標(biāo)記起來，用來指導(dǎo)PCB布局布線工程師，如下圖所示：

那么這里就有兩個(gè)問題了:

（1）為什么旁路電容一定要與主芯片盡可能地靠近？

（2）為什么大多數(shù)旁路電容的值都是0.1uF（104）？這是巧合嗎？

要講清楚這兩個(gè)問題，首先我們應(yīng)該理解旁路電容存在的意義，很多人分不清濾波電容、旁路電容，其實(shí)本質(zhì)上兩者是沒有任何區(qū)別，只不過在細(xì)節(jié)上對電容的要求有所不同。無論電容的應(yīng)用場合名稱叫什么，基本的（也是共同的）一點(diǎn)特性總是不會變的：儲能。電容的這一特性使得外部供電電源有所波動時(shí)，與電容并聯(lián)的對象兩端的電壓所受的影響減小，如下圖所示：

上圖中，我們用開關(guān)K1來模擬擾動的來源，很明顯，每一次開關(guān)K1閉合或斷開時(shí)，在電阻R1與R2的分壓下，電阻R2兩端的電壓（VDD）都是會實(shí)時(shí)跟隨變化的（即波動很大），只不過電壓幅度不一致而已，我們認(rèn)為開關(guān)的切換動作已經(jīng)產(chǎn)生了電源噪聲。

當(dāng)我們在VDD節(jié)點(diǎn)與公共地之間并聯(lián)一個(gè)電容C1后，如下圖所示：

由于電容C1儲能的作用，開關(guān)K1在開/關(guān)切換時(shí)，電容的充放電行為會使VDD更加平緩一些，如下圖所示：

如果這個(gè)電容值比較大（一般在10uF以上，也有數(shù)千微法），我們就將其稱為濾波電容，它可以將低頻擾動成分濾除掉（但是對高頻成分不管用），如果這個(gè)電容值比較?。ㄒ话?uF以下），我們稱為旁路電容，它可以將高頻成分濾除掉（對低頻成分不管用），這兩種電容起的都是濾除作用，如下圖所示：

（本文以容值為濾波與旁路的區(qū)分僅限于數(shù)字電路，旨在說明兩者區(qū)別，僅供參考，因?yàn)樵谀M電路中很多容值并不小的電容也算是旁路電容，比如基本放大電路中的發(fā)射極電阻兩端并聯(lián)的電容，但本質(zhì)都是一樣的）

當(dāng)然，我們也可以把模擬電源擾動開關(guān)K1放在如下圖所示的位置，同樣的道理，電容C1也可以在一定程度上削弱擾動對VDD帶來的影響：

對于旁路電容的應(yīng)用電路而言，開關(guān)K1與電阻R2為干擾的來源，我們可以把它們等效為芯片內(nèi)部，如下圖所示：

下面我們以74HC04（6反相器）芯片來分析一下，盡管電路規(guī)模很小，但原理都是一樣的。我們在《邏輯門》系列文章有提到過，CMOS反相器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

我們將這個(gè)反相器安裝到上面的電路中去，則有如下圖所示：

其中，電容CL為芯片內(nèi)部等效負(fù)載電容，一般為幾個(gè)pF，是數(shù)字集成電路中客觀存在的，就算反相器輸出沒有連接額外的負(fù)載，芯片進(jìn)行開關(guān)動作時(shí)也會消耗一定的電能（電荷）。

假設(shè)芯片邏輯輸入電平由高H至低L變化（由低L至高H變換也是一樣的道，本文不再贅述），PMOS（上側(cè)帶圈圈的）導(dǎo)通，NMOS截止，此時(shí)電流通路如下圖所示：

由于電容CL兩端的電壓不能突變，因此瞬間的充電電流（電荷）也不小，這個(gè)充電電流即來自于電源VDD，如果附近恰好有旁路電容，則由旁路電容中儲存的電荷提供此消耗，如下圖所示：

有人可能就說：就算旁路電容C1離芯片太遠(yuǎn)或沒有，不是還有直流電源V提供VDD嗎？也應(yīng)該可以承擔(dān)提供電能的責(zé)任呀？沒錯(cuò)，當(dāng)芯片產(chǎn)生的噪聲成分屬于低頻是完全可以的，但是數(shù)字電路處于高低電平切換時(shí)情況就完全不一樣了，因?yàn)殚_關(guān)的切換會產(chǎn)生諧波豐富的高頻成分。

需要注意的是，這個(gè)諧波頻率成分的高低不是指信號的切換頻率，而取決于高低電平切換的上升或下降率，即上升時(shí)間tr（rising time）與下降時(shí)間tf（falling time），如下圖所示：

高低電平變換時(shí)間越短，則產(chǎn)生的諧波（高頻）成分越豐富，因此，低速開關(guān)并不意味著高頻成分少，信號頻率為1MHz方波存在的高頻諧波成分比同頻率正弦波要高得多，因?yàn)榉讲ǖ母叩碗娖角袚Q時(shí)間非常短，而正弦波則相對非常緩慢。

因此數(shù)字電路應(yīng)使用下圖所示的高頻等效電路：

其中，L1、L2、L3、L4就是線路（包括過孔、引腳、走線）在高頻下的等效電感，線路越長則等效電感越大，這些等效電感對高頻信號相當(dāng)于是高阻抗，這對于前級過來的高頻干擾的抑制是有好處的，但同時(shí)對芯片內(nèi)部（后級）開關(guān)切換帶來的干擾也是有抑制作用的，這種抑制作用在旁路電容（或更遠(yuǎn)的直流電源V）與芯片之間形成了阻礙，使得VDD供電端子無法及時(shí)獲取到足夠電荷繼而導(dǎo)致VDD瞬間下降（即變差），這種電壓變化可以由下式來表達(dá)：

在大規(guī)模數(shù)字集成電路中會存在成千上萬個(gè)等效開關(guān)同時(shí)切換，這些切換產(chǎn)生的瞬間電流都將使原本看似平穩(wěn)的電源電壓不再干凈，繼而使得芯片工作不再穩(wěn)定，類似如下圖所示：

因此，通常我們會將旁路電容盡量地靠近芯片，這樣使得旁路電容與芯片之間的引腳或走線的分布電感越小，從而能保證芯片能夠及時(shí)獲取足夠的電荷。電路規(guī)模越大的芯片（如奔騰處理器），同一時(shí)間切換的邏輯會更多，因此也需要更多的電荷進(jìn)行消耗電能的補(bǔ)充，外部需要并接的旁路電容也更多，如下圖所示：

旁路電容所起的作用與現(xiàn)實(shí)生活中的撲滅小火災(zāi)的水龍頭一樣：假設(shè)家里出現(xiàn)了小火災(zāi)（相當(dāng)于高頻電源擾動），反應(yīng)最快的肯定是從家里的水源處（相當(dāng)于旁路電容）取水來撲滅，而不是第一時(shí)間拔打119電話。119火警撲滅火災(zāi)的能力（相當(dāng)于外部電源V）肯定是最強(qiáng)的，它對于大火災(zāi)（相當(dāng)于低頻電源擾動）是最合適的，但是對于頻繁出現(xiàn)的小火災(zāi)幾乎沒有什么用處，反應(yīng)時(shí)間跟不上，等你趕過來時(shí)什么都燒完了（電路工作出現(xiàn)異常），還是家里的水龍頭管用，雖然水源比較小，但對于小火災(zāi)卻是足夠用了。

有人可能就會說：搞那么麻煩做什么，為什么要并聯(lián)這么多小電容？不就是那么些個(gè)儲能電容，我在附近并聯(lián)10 uF或100uF的電容不就都解決了么？以一個(gè)抵千百個(gè)，PCB布局布線更簡單，么么噠！理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。從單純的儲能角度來講，是沒有什么問題的！但旁路電容還有另外的重要功能：為每個(gè)高頻信號提供良好的低阻抗返回路徑，從而控制信號之間的串?dāng)_。

如下圖所示，在門C的輸出切換為高電平時(shí)，電池電源V將對負(fù)載電容CL充電，這個(gè)電流回路將產(chǎn)生瞬間的噪聲電壓（用L1、L2等效），如果同一時(shí)間門A的輸出也切換為高電平，則門C產(chǎn)生的噪聲電壓將疊加在VDD上，從而影響到輸出電平。

也就是說，其它門的噪聲電壓（也稱為共路噪聲）被傳遞到門A的輸出端，同一時(shí)間邏輯切換越多則產(chǎn)生的共路噪聲越大，一旦疊加在VDD上的共路噪聲超過芯片的噪聲容限，電路因無法有效地判斷高低電平而導(dǎo)致異常，如下圖所示：

為了改善這種共路噪聲帶來的影響，我們可以在每個(gè)芯片附近放置合適容值的旁路電容，由旁路電容建立電源與地之間的低阻抗回路，這樣高頻噪聲就不會影響到其它門的正常工作，如下圖所示：

在實(shí)際應(yīng)用中，我們會使用電源平面與地平面（減小分布電感，這些屬于高速PCB設(shè)計(jì)內(nèi)容，我們將在系列專欄文章中進(jìn)行詳細(xì)講解），并配合旁路電容來為每一個(gè)芯片提供良好的低阻抗回路，如下圖所示：

但我們在文章《電容》已經(jīng)介紹過，實(shí)際的電容都有其自諧振頻率，電容在高于自諧振頻率時(shí)等效為一個(gè)電感，亦即不再是個(gè)電容了。我們也計(jì)算過10uF貼片陶瓷電容的自諧振頻率約為1.6MHz，假設(shè)我們的芯片工作在10MHz（諧波頻率成分甚至?xí)_(dá)100MHz以上），此時(shí)并聯(lián)10uF的電容相當(dāng)于是不存在的（對于高頻噪聲成分相當(dāng)于是開路的），因此，旁路電容的容量過大將起不到高頻旁路的作用，另外，并聯(lián)多個(gè)小電容的也可以在達(dá)到前述兩個(gè)功能的前提下提升總電容的自諧振頻率，這一點(diǎn)可以參考文章《電容》

作為旁路電容的容值一般不會大于1uF（以文章《電容》中所示1nH ?ESL計(jì)算其自諧振頻率約為5MHZ，同類型電容的容量越小則自諧振頻率越高），那旁路電容應(yīng)該至少需要多少呢？我們下一節(jié)結(jié)合數(shù)據(jù)手冊定量計(jì)算一下0.1uF容值的由來。

編輯：黃飛

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