揭秘0.1uF容量的旁路電容的由來

有一定經(jīng)驗的工程師都會發(fā)現(xiàn)：旁路電容的容值大多數(shù)為0.1uF（100nF），這也是數(shù)字電路中最常見的。

那這個值是怎么來的呢？這一節(jié)我們就來討論一下這個問題。

前面已經(jīng)提到過，實際的電容器都有自諧振頻率，考慮到這個因素，作為數(shù)字電路旁路電容的容量一般不超過 1uF，當(dāng)然，容量太小也不行，因為儲存的電荷無法滿足開關(guān)切換時瞬間要求的電荷，那旁路電容的容量到底應(yīng)該至少需要多大呢？我們用最簡單的反相器邏輯芯片（74HC04）實例計算一下就知道了。

實際芯片的每個邏輯門基本結(jié)構(gòu)如下圖所示（以下均來自Philips 74HC04數(shù)據(jù)手冊）

而每個CMOS反相器的基本結(jié)構(gòu)（具體參考文章【邏輯門（1）】）

每個邏輯非門（Gate）由三個反相器串聯(lián)組成（芯片為什么會這樣設(shè)計可參考文章“邏輯門”）：

CI表示芯片信號引腳的輸入電容（Input capacitance），CL表示輸出負(fù)載電容（Output Load capacitance）。對于每一級反相器，后一級反相器的輸入電容CI即作為前一級開關(guān)的輸出負(fù)載電容，當(dāng)然，反相器開關(guān)本身也會有一定的輸出寄生電容。

它們也包含在CL內(nèi)，一個邏輯非門（包含三個反相器）的所有等效負(fù)載電容就是內(nèi)部邏輯陣列開關(guān)在切換時需要向電源VDD索取能量的來源（換言之，開關(guān)切換時需要對這個等效負(fù)載電容進(jìn)行充放電操作），這個邏輯陣列開關(guān)等效電容在數(shù)據(jù)手冊中通常用CPD（power dissipation capacitance per gate）表示

注意：在這個數(shù)據(jù)手冊中，CPD是一個邏輯非門（Per Gate）的開關(guān)等效電容。

在74HC04芯片中，CPD就相當(dāng)于是CL1、CL2、CL3的等效電容（不一定是簡單的相加），而CL4取決于芯片外接負(fù)載。

有人問：這個公式怎么來的？權(quán)威么？我書讀得少，不要騙我！數(shù)據(jù)手冊中有呀。

公式分成了兩個部分，但結(jié)構(gòu)是一模一樣的，前面一部分與我們給出的公式是相同的，表示芯片內(nèi)部邏輯陣列開關(guān)等效負(fù)載電容CPD的功耗，而后一部分與芯片外接負(fù)載CL有關(guān)（也稱之為等效IO開關(guān)電容），輸出引腳IO連接有多少個負(fù)載，就將相應(yīng)負(fù)載電容CL的功耗全部計算起來。

有人問：輸入電容CI就不計算進(jìn)去嗎？乖乖，對于芯片輸出引腳連接的負(fù)載而言，負(fù)載的輸入電容CI就是引腳的等效負(fù)載電容CL呀，輸出負(fù)載連接（并聯(lián)）越多，則等效負(fù)載電容CL就越大，消耗的功率也就越大，如下圖所示：

一般而言，CL（CI）值是總是相對容易找到的，數(shù)據(jù)手冊中通常都會有，因為輸出連接什么負(fù)載你肯定是知道的，但CPD卻不一定在數(shù)據(jù)手冊能查得到，因此，我們在計算芯片的功耗時可能會分為芯片內(nèi)與芯片外兩個部分。

最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)計算方法我們已經(jīng)知道了，有兩種方法可以估算旁路電容的最小容量：

第一種計算方法思路：邏輯陣列開關(guān)等效電容（CPD）需要獲取足夠的電荷能量，那芯片的旁路電容的容量必定不能比芯片總CPD更小，通常旁路電容的容量比芯片總CPD大25～100倍，我們稱其為旁路電容倍乘系數(shù)（bypass capacitor multiplier，這里取個中間數(shù)50）。

由于74HC04包含六個邏輯非門，從數(shù)據(jù)手冊上也可以查到CPD約為21pF，因此，芯片總CPD應(yīng)為21pF×6=126pF，再考慮到50倍的旁路電容系數(shù)，旁路電容的容量必須要大于126pF×50=6.3nF。

以上計算的是芯片輸出未連接負(fù)載的情況，假設(shè)反相器后面并接了10個邏輯非門（CMOS門電路的扇出系數(shù)一般為20～25），則此時等效電路如下圖所示：

對于門1 來說，此時芯片的輸出負(fù)載電容CL=10×CI=10×7pF=70pF，對于整個系統(tǒng)而言，這個CL也可以算是門1的邏輯陣列開關(guān)等效電容，因為從圖上可以看出，它消耗的是門1的電源能量（而不是門2～門11），這樣根據(jù)上述同樣的算法，門1外接旁路電容的容量至少應(yīng)為（21pF+70pF）×50=4.55nF。

當(dāng)然，這只是一個邏輯非門的計算結(jié)果，如果芯片中其它5個非門也是同樣的負(fù)載連接，則需要的旁路電容容量至少應(yīng)為4.55nF×6=27.3nF，在考慮到電路設(shè)計裕量情況下，我們可以直接選擇100nF的旁路電容。

那功耗PD計算的意義在哪里？前面我們是走了狗屎運，芯片夠簡單，所以數(shù)據(jù)手冊里提供了CPD的具體值，但更多的應(yīng)用場合下是沒有辦法直接獲取這個值的，我們看看更大規(guī)模集成芯片的情況。

大規(guī)模邏輯芯片的旁路電容容量的計算原理也是大體一致的，邏輯陣列開關(guān)每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)至少會以百方來計算（MHz），我們以ALTERA公司FPGA CYCLONE IV芯片來計算一下外接負(fù)載時負(fù)載電容（不包括內(nèi)部邏輯開關(guān)陣列等效電容CPD，為什么？下面會提到）所消耗的功率。

假設(shè)IO供電電源電壓VCCIO為3.3V，時鐘頻率為100MHz，負(fù)載數(shù)量為30個（也就是輸出外接了負(fù)載的IO引腳），輸出引腳的平均負(fù)載電容為10pF，則旁路電容的容量至少應(yīng)為：10pF×30×50=15000pF=15nF。

對于FPGA之類的大規(guī)模集成芯片，內(nèi)核電壓VCCINT或IO電壓VCCIO都會有多個，如果計算某一個電源引腳所需的旁路電容的容量，還需要除以這些電源引腳的個數(shù)。

不同封裝芯片的VCCIO數(shù)量是不一樣的，F(xiàn)256/U256（BGA）封裝有20個，而E144（QFP）封裝只有12個，但是FPGA的VCCIO是按BANK來供電的（就是VCCIO后面帶的那個數(shù)字，數(shù)字相同表示BANK相同，不了解FPGA的讀者不必深究），不應(yīng)該直接除了這個總數(shù)。

如果這30個連接的負(fù)載分布在2個BANK，對于E144封裝每個BANK約有2個VCCIO電源，僅需要除以數(shù)量4就行了，因此，單個電源引腳所需要的旁路電容容量應(yīng)至少約為3.75nF。

我們可以用滅火的水龍頭來理解：當(dāng)芯片只有一個電源引腳時，相當(dāng)于滅火的水龍頭只有一個，而芯片有多個電源引腳時，相當(dāng)于滅火的水龍頭有多個，在火災(zāi)危害程度相同的情況下，需要滅火的用水量是一定的，因此，對于有多個水龍頭的情形而言，單個水龍頭需要的用水量需求就少了，當(dāng)然，總的用水量肯定是一樣的，亦即總的旁路電容值是不會變化的。

上面只是計算芯片外接負(fù)載時需要的旁路電容容量，那如何計算內(nèi)部邏輯陣列等效電容呢？沒辦法直接去計算，除非知道具體的CPD的值（前面我們是走運），但是這個值通常是不提供的，因為這個值會隨實際電路邏輯規(guī)模的大小與功能而有很大的不同，那就沒有辦法了嗎？NO！

我們可以用測量儀器實際測量出FPGA芯片在具體邏輯功能應(yīng)用時所消耗的動態(tài)功率PD，或使用配套的功耗分析軟件進(jìn)行功耗的計算，總而言之，芯片邏輯陣開關(guān)等效電容的功耗PD的值總是可以獲取出來的，再根據(jù)之前的功耗計算公式反推出CPD。

27.8nF已經(jīng)不小了，再乘上50倍旁路電容的倍數(shù)，則旁路電容的總?cè)萘恐辽賾?yīng)為27.8nF×50=1390nF=1.39uF，因此，動態(tài)功耗越大的芯片需要在旁邊放置更多的旁路電容就是這個道理。

編輯：jq