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[FAQ] [常见问题解答] 如何为 CMOS 逻辑器件选择旁路电容器?

Other Parts Discussed in Thread: SN74LVC1G08, SN74LVC16244A

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简单来说 – 对于单电源逻辑器件(例如,SN74LVC1G08),使用 0.1uF 电容;对于具有多个电源引脚的器件(例如,SN74LVC16244A,它有 4 个电源引脚),对其每个电源引脚使用 0.022uF 电容。

我们究竟为什么需要旁路电容器?

旁路电容器是为了提供一个具有超低阻抗的本地电荷源,供元件快速获得电源。

CMOS 逻辑器件在开关事件期间需要比静态运行时消耗明显更多的功率,这意味着它们必须从电源快速取电。  以下是输入开关事件(仿真)期间简单 CMOS 反相器的电流预测图:

可以看到,每次输入转换时都出现较高的瞬态功率尖峰。由于这些电流尖峰的持续时间非常短且值相对较大,因此实现本地电荷源对于实现稳定可靠的运行至关重要。通常情况下,电源与逻辑器件具有较远的电气距离,这会导致电源和器件的电源引脚之间的电感和电阻相对较大。

此外,这类尖峰会导致同一电源网络上的其他器件发生电源干扰。我们希望防止这种情况,因此添加了旁路电容器。

电容器放置

从电气角度而言,旁路电容器应始终尽可能靠近器件放置。  这意味着您需要又宽又短的布线,并使电容器在物理上靠近器件。如果需要,可以将其放置在电路板的另一侧以减小距离。

一般而言,最好将电容器放置在靠近电源引脚的位置,并通过一个过孔将另一端连接到接地层,然后也为器件的接地引脚提供一个过孔。还有其他可行的方法,但这是更常见且更容易实现的方法。

旁路电容器放置示例。

选择适合的电容器值

电容器是包含非理想行为的真实元件,了解这一点非常重要。这是电容器的一个实际常用模型:

应特别注意封装电感。回想一下电感器的基本原理,它们在较高频率下会显示为开路。这意味着电容器可响应的频率范围有一个上限。以下是电容器的频率响应图,使用了采用标准 SMD 封装 (1206) 的 0.1uF 电容器的典型值。

* 请注意,这不是一个特定电容器的频率响应图,而是模拟了电容器的一般响应。

从上面的图中可以看到,该特定电容器的 ESL 限制了可用带宽。

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通过改变电容并使其他方面保持不变,我们可以看到电容值如何影响响应频率:

随着电容器值增加,低侧的截止频率降低,而高侧的截止频率保持不变。这是因为封装电感保持不变,而只改变电容。

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如果我们通过改变封装来改变电感,那么我们可以看到相反的效果:

通过使用更小的封装(或针对此应用进行优化的封装)来降低电感,将增加图中高端的转角频率,而较低的频率将保持不变,因为电容值保持不变。

那么,如何为我的应用选择合适的电容器?

* 我不会详细介绍特定封装和类型的电容器性能 考虑到我们 TI 不生产电容器,我认为电容器制造商更适合介绍此内容。如果您对这个主题的详细介绍感兴趣,网络上有很多应用手册和文章,详细介绍了这方面的内容,这些内容既长见识又饶有趣味。我不会提供任何一篇文章的链接,因为我不想被认为是在推荐某个特定的制造商 很抱歉。Google 是一个很好的资源,可以找到这些内容 您可以搜索“旁路电容器的选型”。

选择适合特定应用的旁路电容器值有两个主要标准:

1.预期的信号频率分量

2.预期负载 – 包括同时开关的通道数

(1) 对于第一个标准,我们必须查看信号的频谱。  我不会详细介绍这方面的内容,但我要说的是,理想的逻辑信号(方波)具有无限的频率分量,但现实世界的信号具有有限的频率分量。这些主要由信号的边沿速率来控制 – 一般而言,逻辑器件产生的信号具有高达约 300MHz 的基本频率分量。  请不要将其与工作频率混淆 – 因为边沿非常快,您可以有一个具有 300MHz 频率分量的 1kHz 信号。

为了确保您能够尽可能快地提供电流,电容器的带宽应在所需的最大频率下包括尽可能低的阻抗。  一般而言,一个 0.1uF 电容器将覆盖支持约 15kHz 至 >1GHz 的宽广频率范围,但是您从上图中可以看到,它没有针对 300MHz 带宽信号进行优化。您可以添加具有更小值的额外并联电容器,以覆盖更高的频率范围。下面是使用三个并联电容器的例子,电容器的值分别为 0.1uF、0.01uF 和 1000pF:

(2) 对于第二个标准,我们需要具体看看输出的每次开关从电容器中抽取的电荷量。

您可以在电荷共享的情况下考虑这一点 – 如果您的逻辑门上有 0.1uF 容性负载,并且您的电源有 0.1uF 电荷源(没有其他电源),然后,您期望在输出端从电源中获得恰好一半的电荷,以便让输出端的电压减半,并且在这个过程中用完电源电容器上的一半电荷。

当然,逻辑门的典型输出负载应该更可能是 10pF,因此在典型系统中,电荷共享会有很大的不同。使用 10pF 电容器和 0.1uF 旁路电容时,共享的电荷将在输出端产生 99.99% 的 Vcc。

您不希望仅使用 10pF 电容器绕过逻辑门的电源,因为这将无法为输出端提供足够的电荷。  一条良好的经验法则是,使您的电源电容器保持在比输出负载至少大一个数量级的水平。同样,0.1uF 电容器可轻松满足此标准,因此对于旁路电容器,它是一个很好的通用选择。