不知道小伙伴们面试,有没有被问到过,芯片附近放置的电容是多少?当你回答说是0.1uF,当你心里暗自庆幸还好自己知道的时候,面试官突然又问道 为什么选取0.1uF?想必此时不少小伙伴都会想到,我看别人都是这么画的,官方推荐也是这么干的,如果你是这么回答,那面试官是不会满意的。
那该怎么回答才算是牛X呢?电路设计的每一个器件可以说是都不是没有根据的随便选型,只是可能到你手里之后,已经经过多方验证,是成型的原理图,参数不需要修改,所以关注的也少。回归正题,接下来分析分析,上面提到的,为什么是0.1uF电容,而不是1uF、10uF......
先来看看电容,电容的作用简单的说就是存储电荷。我们都知道在电源中要加电容滤波,在每个芯片的电源脚放置一个0.1uF的电容去耦。等等,怎么我看到有些板子芯片的电源脚旁边的电容是0.1uF的或者0.01uF的,有什么讲究吗。要搞懂这个道道就要了解电容的实际特性。理想的电容它只是一个电荷的存储器,即C。而实际制造出来的电容却不是那么简单,分析电源完整性的时候我们常用的电容模型如下图所示。
图中ESR是电容的串联等效电阻,ESL是电容的串联等效电感,C才是真正的理想电容。ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的,没法消除。那这两个东西对电路有什么影响。ESR影响电源的纹波,ESL影响电容的滤波频率特性。
我们知道电容的容抗Zc=1/ω C, 电感的感抗Zl=ω L,( ω =2π f),实际电容的复阻抗为
Z=ESR+jω L-1/jω C= ESR+j2π f L-1/j2π f C
可见当频率很低的时候是电容起作用, 而频率高到一定的时候电感的作用就不可忽视了,再高的时候电感就起主导作用了。电容就失去滤波的作用了。所以记住,高频的时候电容就不是单纯的电容了。实际电容的滤波曲线如下图所示。
参见上图,我们想要的最好的滤波效果是在“谷”底,就是曲线凹进去的尖尖,在这个尖尖的时候,滤波效果做好,当我们的芯片IC内部的逻辑门在10-50Mhz范围内执行的时候,芯片内部产生的干扰也在10-50Mhz,(比如51单片机),仔细看上图的曲线,0.1uF电容(有两种,一种是插件, 一种是贴片)的谷底刚好落在了这个范围内,所以能够滤除这个频段的干扰,但是,看清楚,是但是,当频率很高的时候(50-100Mhz),就不是那么回事了,这个时候0.1uF电容个滤波效果就没有0.01uF好了,以此类推,频率再高,选用的滤波电容的量级还要变小,具体怎么参考呢?
参考如下
DC-100K 10uF以上的钽电容或铝电解
100K-10M 100nF(0.1uF)陶瓷电容
10M-100M 10nF(0.01uF)陶瓷电容
100M以上 1nF(0.001uF) 陶瓷电容和PCB的地平面与电源平面的电容
所以,以后不要见到什么都放0.1uF的电容,有些高速系统中这些0.1uF的电容根本就起不了作用。
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