【導(dǎo)讀】如果電源引腳上存在紋波和/或噪聲，大多數(shù)IC都會(huì)有某種類型的性能下降。數(shù)字IC的噪聲裕量會(huì)降低，時(shí)鐘抖動(dòng)則可能增加。對(duì)于高性能數(shù)字IC，例如微處理器和FPGA，電源額定容差(例如±5%)包含直流誤差、紋波和噪聲之和。只要電壓保持在容差內(nèi)，數(shù)字器件便符合規(guī)范。
何謂正確去耦？有何必要性？
說明模擬IC對(duì)電源變化靈敏度的傳統(tǒng)參數(shù)是電源抑制比(PSRR)。對(duì)于放大器，PSRR是輸出電壓變化與電源電壓變化之比，用比率(PSRR)或dB (PSR)表示。PSRR可折合到輸出端(RTO)或輸入端(RTI)。RTI值等于RTO值除以放大器增益。
圖1顯示典型高性能放大器(AD8099) PSR隨頻率、以大約6 dB/8倍頻程(20 dB/10倍頻程)下降的情況。圖中顯示了采用正負(fù)電源兩種情況下的曲線圖。盡管PSR在直流下是90 dB，但較高頻率下會(huì)迅速降低，此時(shí)電源線路上有越來越多的無用能量會(huì)直接耦合至輸出。因此必須一開始就要防止此高頻能量進(jìn)入芯片。一般通過組合電解電容(用于低頻去耦)、陶瓷電容(用于高頻去耦)來完成，也有可能使用鐵氧體磁珠。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及其他模擬和混合信號(hào)電路的電源抑制可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有相關(guān)規(guī)定。不過，在數(shù)據(jù)手冊(cè)的應(yīng)用部分，經(jīng)常會(huì)針對(duì)幾乎所有的線性和混合信號(hào)IC推薦電源去耦電路。用戶應(yīng)始終遵循這些建議，以確保器件正常工作。
低頻噪聲需要較大的電解電容，用作瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)。將低電感表面貼裝陶瓷電容直接連接到IC電源引腳，便可最大程度地抑制高頻電源噪聲。所有去耦電容必須直接連接到低電感接地層才有效。此連接需要短走線或過孔，以便將額外串聯(lián)電感降至最低。
鐵氧體磁珠(以鎳、鋅、錳的氧化物或其他化合物制造的絕緣陶瓷)也可用于在電源濾波器中去耦。鐵氧體在低頻下(<100 kHz)為感性，因此對(duì)低通LC濾波器有用。100 kHz以上，鐵氧體成阻性(高Q)。鐵氧體阻抗與材料、工作頻率范圍、直流偏置電流、匝數(shù)、尺寸、形狀和溫度成函數(shù)關(guān)系。
鐵氧體磁珠并非始終必要，但可以增強(qiáng)高頻噪聲隔離和去耦，通常較為有利。這里可能需要驗(yàn)證磁珠永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，特別是在運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)高輸出電流時(shí)。當(dāng)鐵氧體飽和時(shí)，它就會(huì)變?yōu)榉蔷€性，失去濾波特性。
請(qǐng)注意，某些鐵氧體甚至可能在完全飽和前就是非線性。因此，如果需要功率級(jí)，以低失真輸出工作，當(dāng)原型在此飽和區(qū)域附近工作時(shí)，應(yīng)檢查其中的鐵氧體。
圖2總結(jié)了正確去耦的重要方面。
實(shí)際電容及其寄生效應(yīng)
圖3顯示了一個(gè)非理想電容的模型。電阻RP代表絕緣電阻或泄漏，與標(biāo)稱電容C并聯(lián)。第二個(gè)電阻RS(等效串聯(lián)電阻或ESR)與電容串聯(lián)，代表電容引腳和電容板的電阻。
電感L(等效串聯(lián)電感或ESL)代表引腳和電容板的電感。最后，電阻RDA和電容CDA一起構(gòu)成稱為電介質(zhì)吸收或DA現(xiàn)象的簡(jiǎn)化模型。在采樣保持放大器(SHA)之類精密應(yīng)用中使用電容時(shí)，DA可造成誤差。但在去耦應(yīng)用中，電容的DA一般不重要。
圖4顯示了各種100 F電容的頻率響應(yīng)。理論上，電容阻抗將隨著頻率增加呈單調(diào)下降。實(shí)際操作中，ESR使阻抗曲線變得平坦。隨著頻率不斷升高，阻抗由于電容的ESL而開始上升。“膝部”的位置和寬度將隨著電容結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)和等效器件的值而變化。因此常常可以看到較大值電容與較小值電容并聯(lián)。較小值電容通常具有較低ESL，與較高頻率的電容看似相同。這可以在更寬頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展并聯(lián)組合的總體性能。
電容自諧振頻率就是電容電抗(1/C)等于ESL電抗(ESL)的頻率。對(duì)這一諧振頻率等式求解得到下式：
所有電容將顯示大致形狀與圖示類似的阻抗曲線。雖然實(shí)際曲線圖有所不同，但大致形狀相同。最小阻抗由ESR決定，高頻區(qū)域由ESL決定(后者很大程度上受封裝樣式影響)。
去耦電容類型
圖5顯示適合去耦的各種常見電容類型。電解系列具有寬值范圍、高電容體積比和廣泛的工作電壓，是極佳的高性價(jià)比低頻濾波器元件。它包括通用鋁電解開關(guān)類型，提供10 V以下直至約500 V的工作電壓，尺寸為1 F至數(shù)千F(以及成比例的外形尺寸)。
所有電解電容均有極性，因此無法耐受約一伏以上的反向偏置電壓而不造成損壞。此類器件具有相對(duì)較高的泄漏電流(可能為數(shù)十A)，很大程度上取決于特定系列的設(shè)計(jì)、電氣尺寸、額定電壓及施加電壓。不過，泄漏電流不可能是基本去耦應(yīng)用的主要因素。
大多數(shù)去耦應(yīng)用不建議使用“通用”鋁電解電容。不過，鋁電解電容的一個(gè)子集是“開關(guān)型”，設(shè)計(jì)并規(guī)定用于在最高達(dá)數(shù)百kHz的頻率下處理高脈沖電流，且僅具有低損耗。此類電容在高頻濾波應(yīng)用中可直接媲美固態(tài)鉭電容，且具有更廣泛的可用值。
固態(tài)鉭電解電容一般限于50 V或更低的電壓，電容為500 F或更低。對(duì)于給定尺寸，鉭電容比鋁開關(guān)電解電容呈現(xiàn)出更高的電容體積比，且具有更高的頻率范圍和更低的ESR。一般也比鋁電解電容更昂貴，對(duì)于浪涌和紋波電流，必須謹(jǐn)慎處理應(yīng)用。
最近，使用有機(jī)或聚合物電解質(zhì)的高性能鋁電解電容也已問世。這些電容系列擁有略低于其他電解類型的ESR和更高的頻率范圍，另外低溫ESR下降也最小。此類器件使用鋁聚合物、特殊聚合物、Poscap和Os-Con等標(biāo)簽。
陶瓷或多層陶瓷(MLCC)具有尺寸緊湊和低損耗特性，通常是數(shù)MHz以上的首選電容材料。不過，陶瓷電介質(zhì)特性相差很大。對(duì)于電源去耦應(yīng)用，一些類型優(yōu)于其他類型。在X7R的高K電介質(zhì)公式中，陶瓷電介質(zhì)電容的值最高可達(dá)數(shù)F。在高達(dá)200 V的額定電壓下推薦Z5U和Y5V。X7R型在直流偏置電壓下的電容變化小于Z5U和Y5V型，因此是較佳選擇。
NP0(也稱為COG)型使用更低的介電常數(shù)公式，通常具有零TC和低電壓系數(shù)(不同于較不穩(wěn)定的高K型)。NP0型的可用值限于0.1 F或更低，0.01 F是更實(shí)用的上限值。
多層陶瓷(MLCC)表面貼裝電容的極低電感設(shè)計(jì)可提供近乎最佳的RF旁路，因此越來越頻繁地用于10 MHz或更高頻率下的旁路和濾波。更小的陶瓷芯片電容工作頻率范圍可達(dá)1 GHz。對(duì)于高頻應(yīng)用中的這些及其他電容，可通過選擇自諧振頻率高于最高目標(biāo)頻率的電容，確保有效值。
薄膜型電容一般使用繞線，增加了電感，因此不適合電源去耦應(yīng)用。此類型更常用于音頻應(yīng)用，此時(shí)需要極低電容和電壓系數(shù)。
局部高頻去耦建議
圖6顯示了高頻去耦電容必須盡可能靠近芯片的情況。否則，連接走線的電感將對(duì)去耦的有效性產(chǎn)生不利影響。
左圖中，電源引腳和接地連接盡可能短，所以是最有效的配置。然而右圖中，PCB走線內(nèi)的額外電感和電阻將造成去耦方案的有效性降低，且增加封閉環(huán)路可能造成干擾問題。
由LC去耦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的諧振電路
許多去耦應(yīng)用中，電感或鐵氧體磁珠與去耦電容串聯(lián)，如圖7所示。電感L與去耦電容C串聯(lián)后構(gòu)成諧振或“調(diào)諧”電路，主要特性是顯示諧振頻率下的顯著阻抗變化。諧振頻率計(jì)算公式如下：
去耦網(wǎng)絡(luò)的總體阻抗在諧振頻率下可表現(xiàn)出峰化現(xiàn)象。峰化程度取決于調(diào)諧電路的相對(duì)Q(品質(zhì)因子)值。諧振電路的Q衡量其對(duì)電阻的電抗。計(jì)算公式如下：
正常走線電感和0.01 F至0.1 F的典型去耦電容將在高于數(shù)MHz的頻率下產(chǎn)生諧振。例如，0.1 F和1 nH將在16 MHz下產(chǎn)生諧振。
不過，由100 F電容和1 F電感組成的去耦網(wǎng)絡(luò)在16 kHz下產(chǎn)生諧振。如果不予檢查，一旦此頻率出現(xiàn)在電源線路上，可帶來諧振問題。該效應(yīng)可通過降低電路Q降至最低。在電源線路內(nèi)靠近IC的地方插入小電阻(~10 )便可輕松完成，如右例所示。電阻應(yīng)盡可能壓低，最大程度地減小電阻兩端的IR壓降。也可用小鐵氧體磁珠替代電阻，它在諧振頻率下主要表現(xiàn)為阻性。
使用鐵氧體磁珠代替電感可以減少諧振問題，因?yàn)殍F氧體磁珠在100 kHz以上表現(xiàn)為阻性，所以會(huì)降低電路的有效Q值。典型鐵氧體磁珠阻抗如圖8所示。
簡(jiǎn)單LRC去耦網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)可以使用基于SPICE的程序輕松仿真，例如National Instruments Multisim™，ADI公司版。典型電路模型如圖9所示，仿真響應(yīng)如圖10所示。
不良去耦技術(shù)對(duì)性能的影響
本節(jié)考察不良去耦技術(shù)對(duì)兩種基礎(chǔ)元件：運(yùn)算放大器和ADC的影響。
圖11顯示1.5 GHz高速電流反饋運(yùn)算放大器AD8000的脈沖響應(yīng)。兩種示波器圖表均使用評(píng)估板獲得。左側(cè)走線顯示正確去耦的響應(yīng)，右側(cè)走線顯示同一電路板上去除去耦電容后的相同響應(yīng)。兩種情況中，輸出負(fù)載均為100 。
圖12顯示AD8000的PSRR，它與頻率成函數(shù)關(guān)系。請(qǐng)注意，較高頻率下PSRR下降至相對(duì)較低值。這意味著電源線路上的信號(hào)很容易傳播至輸出電路。圖13顯示用于測(cè)量AD8000 PSRR的電路。
現(xiàn)在考察正確及錯(cuò)誤去耦對(duì)14位、105/125MSPS高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器ADC AD9445的影響。雖然轉(zhuǎn)換器通常無PSRR規(guī)格，但正確去耦仍非常重要。圖14顯示正確設(shè)計(jì)電路的FFT輸出。這種情況下，對(duì)AD9445使用評(píng)估板。注意頻譜較為干凈。
AD9445的引腳排列如圖15所示。請(qǐng)注意，電源和接地引腳有多個(gè)。這是為了降低電源阻抗(并聯(lián)引腳)。
模擬電源引腳有33個(gè)。18個(gè)引腳連接到AVDD1(電壓為+3.3 V ± 5%)，15個(gè)引腳連接到AVDD2(電壓為+5 V ± 5%)。DVDD(電壓為+5 V ± 5%)引腳有4個(gè)。在本實(shí)驗(yàn)中所用的評(píng)估板上，每個(gè)引腳具有陶瓷去耦電容。此外還有數(shù)個(gè)10 F電解電容。
圖16顯示了從模擬電源去除去耦電容后的頻譜。請(qǐng)注意，高頻雜散信號(hào)增加了，還出現(xiàn)了一些交調(diào)產(chǎn)物(低頻成分)。
信號(hào)SNR已顯著降低。
本圖與上圖的唯一差異是去除了去耦電容。同樣使用AD9445評(píng)估板進(jìn)行測(cè)量。
圖17顯示從數(shù)字電源去除去耦電容的結(jié)果。注意雜散同樣增加了。另外應(yīng)注意雜散的頻率分布。這些雜散不僅出現(xiàn)在高頻下，而且跨越整個(gè)頻譜。本實(shí)驗(yàn)使用轉(zhuǎn)換器的LVDS版本進(jìn)行。
可以想象，CMOS版本會(huì)更糟糕，因?yàn)長(zhǎng)VDS的噪聲低于飽和CMOS邏輯。
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