高速电路设计中电容的作用及分析

高速电路设计中电容的作用及分析

1)电容的作用之一一 电荷缓冲池

在高速电路设计中，电源的负载是动态的，即高速运行器件的电流和功耗是不断变化的。为了保证器件工作的稳定，希望器件的工作电压不随电流和功耗的剧烈变化而同程度变化，即希望器件电压尽量稳定。在这种情况下，需要为器件提供一种缓冲池,以便当外界环境剧烈变化时，器件的工作电压能保持相对的稳定。电容的本质是储存电荷和释放电荷，当外界环境变化时，电容中的电荷能被迅速积累或释放。根据公式△U=AQ/C ( AU表示电容两端电压的变化量，0Q表示电容两端电荷的变化量，C为电容的容值)，当外部环境的变化驱使器件的工作电压增加或减少时，电容能通过积累或者释放电荷以吸收这种变化，即将器件工作电压

的变化转变为电容中电荷的变化，从而保持器件工作电压的稳定。因此，之的作用之一就 是电荷缓冲池，以使高速运行器件的工作电压保持稳定。

2）电容的作用之一一 去藕

去藕，又称解藕。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对 于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。

去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防 途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10uF或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动 电流的变化大小来确定。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别

3)电容的作用之三一 高频噪声的重要泄放通路

对高速运行的电路而言，无时无刻不存在状态的转变。例如，信号的状态不断在|和0之间切换，器件的电流方向不断在输出和输入之间切换。这种高速的转变，将在电路上产生大量的噪声等干扰。从频谱上看，这些干扰在相当大程度上处于有效信号的2次、3次等倍频频率。在电源传输路径上，需要将这些干扰泄放到相对稳定的地平面上，以免影响器件的工作。根据公式Z=1/(jwC), 当频率较高时，电容表现为低阻抗，因此，可将电容作为高频噪声的重要泄放通路。

4)电容的作用之四一 实现交流耦合

当两个器件通过高速信号互连时，信号两端的器件可能对直流分量有不同的要求。例如，A和B两个器件之间通过高速差分对信号互连，但A器件工作于1.8V, B器件工作于3.3V, 则A器件驱动的差分对信号将携带1.8V直流分量，导致信号到达接收端B器件时无法被正确识别;反之，B器件驱动的信号，到达A器件，其电平可能超过A器件所允许的最大输入电平。对于这种情况，需要将信号所携带的发送端的直流分量在达到接收端前，予以滤除，即隔离信号两边器件的直流分量。基于电容的通交流、阻直流的天然特性，电容具有这种隔离功能。因此，电容的作用之三是实现交流耦合(AC Couple), 以实现对直流的隔离(DC Blocking)。

5）电容的作用之五一滤波

从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成分，所以频率 高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000uF)滤低频，小电容(20pF)滤高频。曾有网友将滤波电容 比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。