高速PCB板設(shè)計(jì)技術(shù)二

1.1.3 線路噪聲過(guò)濾 僅僅電源位面系統(tǒng)無(wú)法減小線路噪聲。由于不論使用怎樣的電源分配方案，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生足夠?qū)е聠?wèn)題發(fā)生的噪聲，額外的過(guò)濾措施是必需的。這一任務(wù)由旁路電容完成。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè) 1uf-10uf 的電容將被放在系統(tǒng)的電源接入端，板上每個(gè)設(shè)備的電源腳與地線腳之間應(yīng)放置一個(gè) 0.01uf-0.1uf 的電容。 旁路電容就是過(guò)濾器。放在電源接入端的大電容（約 10uf）用來(lái)過(guò)濾PCB板產(chǎn)生的低頻（比如 60hz 線路頻率） 。板上工作中的設(shè)備產(chǎn)生的噪聲會(huì)產(chǎn)生從 100mhz 到更高頻率間的合共振（harmonics） 。每個(gè)芯片間都要放置旁路電容，這些電容比較小，大約 0.1u 左右。 由于我們的目的是過(guò)濾掉電源供應(yīng)中的 AC 成分，所以電容似乎越大越好，最大限度的減小了阻抗。但是，這樣想沒(méi)有考慮到現(xiàn)實(shí)條件的電容并不具有理想條件下的那些特性。理想條件下的電容，如圖 3a，實(shí)際的電容則如圖 3b。圖 3 電容模型電阻和電感是由組成電容的金屬板和石墨板造成的。由于它們寄生于電容，于是被稱為等級(jí)電阻（ESR）和等級(jí)電感 (ESL)，因此電容是一系列共鳴的電路，因?yàn)椋河蓤D4a看出，在小于FR的時(shí)候，它是電容性的，而大于FR的時(shí)候，它是電感性的。a） 電容阻抗與頻率的關(guān)系 b） 在同等結(jié)構(gòu)之下減小電容容量的效果圖4 頻率于電容阻抗的關(guān)系 因此，電容器更像一個(gè)針對(duì)一個(gè)帶寬的過(guò)濾器（band-reject filter），而不是一個(gè)高頻過(guò)濾器（high-frequency-reject filter.）。 舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，一個(gè)10u的用作板電源連接的電容通常是由一卷用絕緣材料隔開(kāi)的金屬帛組成（圖5）。這樣造成了很大的ESL和ESR。由于ESL很大，F(xiàn)R一般在1MHz以下。它們是良好的對(duì)付60赫茲噪聲的過(guò)濾器，但是對(duì)于100MHZ及更高頻率的跳變（swtching）噪聲就不太理想了。 容量>uF電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5 大電容的結(jié)構(gòu)ESK，ESR決定于制造電容的絕緣材料和電容構(gòu)造，而不是電容的大小。想要降低高頻噪聲，憑借相同種類的大電容是無(wú)法解決的。在低于一個(gè)小電容的FR的時(shí)候，一個(gè)大電容的阻抗比這個(gè)小電容的阻抗要小，但是當(dāng)高于FR的時(shí)候，ESL占據(jù)了主導(dǎo)，這時(shí)候大電容與小電容的阻抗沒(méi)有區(qū)別（圖4b）。因?yàn)閮H僅電容值改變了，除非電容的構(gòu)造改變，否則ESL不會(huì)改變。若要過(guò)濾高頻，必須用一個(gè)ESL低的電容替換當(dāng)前的電容。為了不同的頻率及應(yīng)用，有不同種類的電容可供選擇，表格1給出一些介紹：表1 推薦在不同頻率下使用的旁路電容表 低ESL電容通常由非鐵磁材料制成，有較小的電壓－電容乘積。所以，制造具有實(shí)用的崩潰電壓（防止板漏）的大電容是很困難的。不過(guò)，由于較好的過(guò)濾特性，大值電容可能并不需要。 圖6比較了一個(gè)C0G型號(hào)0.01uF的電容和一個(gè)另外種類0.1uF的電容。 我們發(fā)現(xiàn)0.01uF電容在頻率高時(shí)過(guò)濾得比較好。圖 7 幾種電容的濾波效果 電容器圖向我們顯示， 每種電容器都有一個(gè)有限的頻率有效范圍。 一個(gè)系統(tǒng)既有低頻噪聲，又有高頻噪聲，為此，我們希望能夠?qū)㈩l率有限范圍擴(kuò)大。為實(shí)現(xiàn)這一目的，我們可以將一個(gè)高電容，低ESL的設(shè)備與一個(gè)低電容，極低ESL的設(shè)備并聯(lián)。圖7顯示這樣做可以顯著提高有效過(guò)濾頻率范圍。圖 7 X7R 與C0G兩種結(jié)構(gòu)電容的頻率響應(yīng)1.1.4 旁路電容的放置 選擇好過(guò)濾電容之后， 需要將它們放置到板子上。 圖8a描述低速板放置電容的一般標(biāo)準(zhǔn)。電容應(yīng)放在接近設(shè)備的頂部以保證其有效性。雖然畫(huà)圖很簡(jiǎn)單，但是這樣并不能提供最快的系統(tǒng)性能。 我們注意到VCC電容很接近芯片接VCC的位置，但是接地端卻很遠(yuǎn)。因?yàn)樵肼曉谝粋€(gè)電源平面上并不是均衡的，電容并不過(guò)濾芯片導(dǎo)線（chip leads）產(chǎn)生的噪聲；它只過(guò)濾芯片附近的噪聲。為達(dá)到良好的性能，應(yīng)該使芯片與電容在同一點(diǎn)上接VCC和接地。因?yàn)殡娙莸某叽缗c芯片的尺寸是不同的，所以有必要從VCC和地線接入點(diǎn)分別引兩條線到電容器。如圖8b。這些“延長(zhǎng)導(dǎo)線”放在無(wú)電源平面上，而且越短越好。通常，最好將電容放在板子的正對(duì)面，芯片的正下方。一個(gè)表貼芯片放在那里可以得到很好的工作效果。注意：從電容到電源管腳布下的“延長(zhǎng)導(dǎo)線（lead extension）”可能占用了原本用來(lái)布信號(hào)線的位置。但是，現(xiàn)在就在布置（routing）信號(hào)線花費(fèi)一些額外的精力可以減少以后為減小噪聲需要做的工作。 對(duì)于有多個(gè)VCC和地線管腳的設(shè)備，最佳的旁路取決于設(shè)備本身。特別決定于電源管腳是否是內(nèi)部連接的（connected internally）。對(duì)于這樣的設(shè)備，只需要旁路一個(gè)地線管腳到一個(gè)VCC管腳。 若電源在內(nèi)部是分散開(kāi)的， 這些分開(kāi)的VCC管腳需要分別去耦 （decoupled） 。總體來(lái)說(shuō)，最好與設(shè)備供應(yīng)商聯(lián)系，聽(tīng)取他們的建議。