去耦技术详解

1 简介

如下图所示，微小的电源变化会产生输入和输出电压的微小变化。放大器对电源变化的灵敏度通常用电源抑制比（PSRR）来量化，其定义为电源电压变化与输出电压变化比值。直流下PSRR会比较高，但较高频率下会迅速降低，此时电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至输出。

2 改进措施

        解决上述问题的办法之一是采用局部去耦技术，采用尽可能短的连接，将适当的局部去耦电容直接接到电源引脚和接地层之间，可最大限度降低对功率噪声和纹波的灵敏度。去藕电容用作瞬态电流的电荷库，并将其直接分流到地，从而在IC上保持恒定的电源电压。 虽然回路电流路径通过接地层，但由于接地层阻抗较低，回路电流一般不会产生明显的误差电压。

        高频去耦电容必须尽可能靠近芯片，否则连接走线的电感将对去耦的有效性产生不利影响。左侧，电源引脚和接地连接都可能短，所以是最有效的配置。然而在右侧中，PCB走线内的额外电感和电阻将造成去耦方案的有效性降低，且增加封闭环路可能造成干扰问题。

        低频噪声去耦通常需要用电解电容（典型值1uF至100uF），以作为低频瞬态电流的电荷库。将低电感表面贴装陶瓷电容（典型值为0.01uF至0.1uF）直接连接到IC电源引脚，可最大程度抑制高频电源噪声。所有去耦电容必须直接连接到低电感接地层才有效。

        铁氧体磁珠（以镍、锌、锰的氧化物或其他化合物制造的绝缘陶瓷）也可用于在电源滤波器中去耦。铁氧体在低频下（<100kHz）为感性—因此对低通LC去耦滤波器有用。100kHz以上，铁氧体成阻性（低Q）。铁氧体阻抗与材料、工作频率范围、直流偏置电流、匝数、尺寸、形状和温度成函数关系。在使用时需特别关注铁氧体磁珠是否会饱和，尤其是运放输出电流较大的情况。

3 去耦电容选型

        下图实际电容的模型。电阻R P 代表绝缘电阻或泄漏，与标称电容(C)并联。第二个电阻R S （等效串联电阻或ESR）与电容串联，代表电容引脚和电容板的电阻。

        电感L（ESL）代表引脚和电容板的电感。最后，电阻和电容一起构成成为电介质吸收（DA）现象的简化模型。在采样保持放大器（SHA）之类精密应用中使用电容时，DA可造成误差。但在去耦应用中，电容的DA不重要，予以忽略。

        理论上，理想电容的阻抗随着频率提高而单调降低。实际操作中，ESR使阻抗曲线变得平坦。随着频率不断升高，阻抗由于电容的ESL而开始上升。“膝部”的位置和宽度将随着电容结构、电介质和电容值而变化。因此，在去耦应用中，常常可以看到较大值电容与较小值电容并联。较小值电容通常具有较低ESL，在较高频率时仍然像一个电容。电容并联组合覆盖的频率范围比组合中任何一个电容的频率范围都要宽。

        电解电容系列具有宽值范围、高电容体积比和广泛的工作电压，是极佳的高性价比低频滤波器元件。所有电解电容均有极性，因此无法耐受约1 V以上的反向偏置电压而不造成损坏。此类元件具有相对较高的漏电流（可能为数十μA），具体漏电流在很大程度上取决于特定系列的设计、电气尺寸、额定电压及施加电压。不过，漏电流不可能是基本去耦应用的主要因素。

        固态钽电解电容一般限于50 V或更低的电压，电容为500 μF或更低。给定大小时，钽电容比铝开关电解电容呈现出更高的电容体积比，且具有更高的频率范围和更低的ESR。钽电容一般也比
铝电解电容更昂贵，对于浪涌和纹波电流，必须谨慎处理应用。

        陶瓷或多层陶瓷(MLCC)具有尺寸紧凑和低损耗特性，通常是数MHz以上的首选电容材料。不过，陶瓷电介质特性相差很大。对于电源去耦应用，一些类型优于其他类型。NP0（也称为COG）型使用介电常数较低的配方，具有标称零TC和低电压系数（不同于较不稳定的高K型）。NP0型的可用值限于0.1μF或更低，0.01 μF是更实用的上限值。

        薄膜型电容一般使用绕线，增加了电感，因此不适合电源去耦应用。此类型更常用于音频应用，此时需要极低电容和电压系数。

        最后，务必选择击穿电压至少为电源电压两倍的电容，否则当电路上电时，可能会发生意外