维普资讯 http://www.cqvip.com 山西电子技术 ２００７年第２期 应用实践 去耦电容在ＰＣＢ中的应用＊ 张小行 （江西蓝天学院电工电子教研室，江西南昌３３００９８） 摘要：介绍在ＰＣＢ板上添加去藕电容进行ＥＭＣ和信号质量的优化设计方法。详细说明在添加去耦电容时， 去耦电容取值大小的计算、电容类型的选择、去耦电容的摆放、不同线路的频率和上升速度大小、线路板各层之间 以及时钟的自协调频率的配合、防止共振的产生等这些应用去耦电容时关注和考虑的内容。 关键词：４ｒ耦电容；ＰＣＢ；高速设计 中图分类号：ＴＰ３０３．１ 文献标识码：Ａ Ｏ引言 去耦电容一般指去除在器件切换时从高频器件进入到 配电网络中的射频能量的电容器件。随着ＰＣＢ和ＭＣＭ设 计功能越来越多，复杂度越来越高，使用的频率也就越来越 高。随着功能和速度的增加，瞬态电流也不断增加。由于设 １去耦电容的计算 目前，电源和地平面的噪声通常通过对原型产品的测量 或凭经验来控制，根据经验把去耦电容的容量设定为默认的 值。实践中，去耦电容数量、容量值以及电容的放置位置都 与频率有关，要确定其最佳值的确是件非常困难的事。为了 正确预测电容的有效性，要精确考虑瞬态电流和电源实际的 供电路径。做到了这一点，则电源／地平面上的噪声就可以 看到了，也就可以通过在适当的地方放置适当容量的电容从 而有效地控制其噪声。一般情况下，去耦电容是在某一特定 的谐振频率、安装、引线长度、走线长度以及其它改变电容谐 振频率的寄生参数下，以最佳滤波特性为基础获得的，同时 也有一些比较粗略的算法。 计越来越复杂，器件密度越来越大，时钟频率越来越高，上升 速度越来越快，产生了越来越多的感应噪声，比如Ｄｅｌｔａ－Ｉ、地 弹或瞬态交换噪声，当这种噪声大到一定程度时，会影响集 成电路的功能和性能，添加去耦电容可以减少这些噪声。由 下面的图１我们可以看出某一块电源加上去耦电容和没加 去耦电容的反跳波形区别。加了去耦电容的电源反跳波形 看上去既光滑又平整，没加去耦电容的电源反跳波形则有很 多毛刺。 算法一：由公式Ｑ：Ｃｄｖ Ｃ：Ｉ／（ｄｖ／ｄｔ） （１） 算法二：在已知时钟信号的边沿速率时 ＝ （２） 图１ 左侧为同一电路加有去耦电容时的电源反跳波形。 右侧为无去耦电容的电源反跳波形 算法三：在确定好决定要滤除的最高频率时，用下式来 计算 ＝ 采用多层板的一个目的就是在信号层、电源层与地层之 间产生较大的去耦电容，从而提供更好的去耦能力。在模拟 布线设计中，去耦合电容通常用于旁路电源上的高频信号， １００ （４） 算法四：如果粗略的估算的话，可按 Ｃ＝１／ｆ （５） 这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。 如果在模拟电路中不使用去耦电容的话，就可能在信号路径 上引入噪声或者振动。 ２去耦电容的选用 对于时钟电路而言，去耦电容的选择，通常根据时钟或 处理器的第一谐波来选择，有时，主要的射频电流是由三次 对于控制器和处理器这样的数字器件，同样需要去耦电 容，这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库。在数字电路 中，如果执行开关动作时没有足够的电荷，会造成电源电压 发生很大变化，会导致数字信号电平进入不确定状态，并很 可能引起数字器件中的状态机错误运行。 ＊基金资助项目：赣教字２００５－２４９ 收稿日期：２００６—１０－２１作者张小行女２９岁讲师 或五次谐波产生的，此时就要考虑该相应的谐波。 同时还要考虑去耦电容的自谐振频率，高于自谐振频 率，去耦电容开始呈现感性，去耦性减弱。当去耦电容引线 太长时，电感增加，也会影响去耦性。当使用电源和接地层 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 张小行：去耦电容在ＰＣＢ中的应用 ９ 作为主要的去耦电容器时，要考虑这种自带的电容器的自谐 振频率。如果电源层和接地层电容的自谐振频率与安装在 板上的集总去耦电容的自谐振频率一样，将会产生强烈的共 振。导致不能产生一个宽的去耦谱段效果。如果时钟同步频 率恰恰也是这个自谐振频率值，那么这个板的去耦性能将非 常差。该ＰＣＢ将变成一个可能不符合要求电磁干扰要求的 发射器。如果使用具有不同自谐振频率的附加去耦电容，可 避免发生与ＰＣＢ电源层和地层的共振。 对于高频滤波而言，陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频 特性较好。设计印刷线路板时，最好每个集成电路的电源， 地之间都要加一个去耦电容。数字电路中典型的去耦电容 为０．１ 的去耦电容有５ｎＨ分布电感，它的并行共振频率大 约在７ＭＨｚ左右，也就是说对于１０ＭＨｚ以下的噪声有较好 的去耦作用，对４０ＭＨｚ以上的噪声几乎不起作用。１ 和 １０ 电容的并行共振频率在２０ＭＨｚ以上，去除高频率噪声 的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个１ 或 １０／￣ｆ的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统 也正在使用这种电容于其它用途。对微控制器构成的系统， 去耦电容取０．０１／￣ｆ－０．１ 之间都可以。 在特定的场合下，两个并联电容可以提供更宽频带的射 频抑制。为了获取最佳特性，这两个并联电容器必须相差两 个量级幅度值（例如０．１ 和０．００１ ）或１００倍。在５０ＭＨｚ 或者低于５０ＭＨｚ的系统下，最典型的高频去耦电容是０．１ 和０．００１／￣ｆ并联，在更高时钟频率下则为０．００１／￣ｆ和１００ｐＦ 并联。对于大规模集成电路，尤其是ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ ＭＥＭＯＲＹ、ＥＰＬＤ、ＦＰＧＡ等类型的芯片，每个去耦电容旁要 并接一个陶瓷电容。同时也也要注意会造成偏移原来中心 工作频率的缺点。 在数字电路中，配置原则如下： １）电源输入端一般跨接一个１０ ～１００ 的电解电容 器，如果印制电路板的位置允许，采用１００ 以上的电解电 容器的抗干扰效果会更好。 ２）为每个集成电路芯片配置一个陶瓷电容器。如遇到 印制电路板空间小而装不下时，可每４～１０个芯片配置一个 １ ～１０ 钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在 ５００ｋＨｚ－－２０ＭＨｚ范围内阻抗小于ｌｌ＇ｌ，而且漏电流很小 （０．５ 以下）。 ３）对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和 ＲＯＭ、ＲＡＭ等存储型器件，应在芯片的电源线（Ｖｃｃ）和地线 （ＧＩ Ｄ）间直接接入去耦电容。 ３去耦电容的安放 尽量在关键元件，如ＲＯＭ、ＲＡＭ等芯片旁边安装去耦 电容。防止Ｖｃｃ走线上开关噪声尖峰的唯一方法，是在 ｖａＣ与电源地之间安放一个０．１／ｆ的电子去耦电容。如果 电路板上使用的是表面贴装元件，可以用片状电容直接紧靠 着元件。在ｖｃｃ引脚上固定，最好是使用瓷片电容。使去耦 电容尽量靠近转换信号，去耦电容应连接到原始信号板下面 的电源／接地面到新信号板下面的电源／接地面之间，如果这 两种信号板下面的面均为接地面，则可以用通孔取代去耦电 容。在安放去耦电容时需要注意以下几点： １）在印制电路板的电源输入端一般跨接一个电解电 容。如果体积允许的话，电容量大一些则更好。 ２）原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个瓷 片电容，如果电路板的空隙太小而放置不下时，可以每１０个 芯片左右放置一个１～１０的钽电容。 ３）对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和 ＲＡＭ、ＲＯＭ等存储元件，应该在电源线（ｖｃｃ）和地线之间接 入去耦电容。电容的引线不要太长，特别是高频旁路电容不 能带引线。 ４）对于ＩＣ的电源，保证每个ＩＣ的电源ＰＩＮ都有一个 去耦电容，对于ＢＧＡ ＣＨＩＰ，要求在ＢＧＡ的四角分别有两个 电容共８个。对走线的电源尤其要注意加滤波电容，如 ｖ兀等。这不仅对稳定性有影响，对ＥＭＩ也有很大的影 响。 ５）对于时钟线的处理，如果时钟线有过孔，在过孔的相 邻位置，地层和电源层之间加一个旁路电容，以确保时钟线 换层后，参考层（相邻层）的高频电流的回路连续。旁路电容 所在的电源层必须是过孔穿过的电源层，并尽可能地靠近过 孔，旁路电容与过孔的间距最大不超过３００ＭＩＬ。 ６）时钟线下面没有铺铜。若条件实在做不到不穿 孔。保证频率大于等于６６Ｍ的时钟线不穿孔，频率小于６６Ｍ 的时钟线若穿孔，必须加一个去耦电容形成镜像通路。 图２某ＩＣ的去耦电容的位置 图３在模拟和数字Ｐ（Ｂ设计中，去耦或旁路电容（１ｎ ）应 尽量靠近器件放置。供电电源去耦电容（１０ｎ ）应放置在电路 板的电源线入口处。所有情况下，这些电容的引脚都应较短。 源线 图３某ＩＣ的去耦电容的位置 在安放跟去耦电容相匹配的电容时需注意电源线和地 线的走线，由于这种不恰当的配合，电路板的电子元器件和 （下转第３１页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 ３．２接口函数库的使用 柯艳明：智能测控仪表系统的ＣＡＮ总线通信方案 一输入一附加依赖项中添加ＣｏｎｔｒｏｌＣＡＮ．１ｉｂ ３１ ＣＡＮ２３２智能ＣＡＮ接口卡随机提供功能强大的接口函 ４结束语 由于ＣＡＮ总线的诸多优点，现已广泛应用于汽车电子、 自动控制、电力系统和安防监控等场合。本文利用ＣＡＮ总 线来实现智能测控仪表系统的数据通信，系统结构简单明 数库文件，支持在ＶＣ、ＶＢ、Ｃ＋＋、Ｄｅｌｐｈｉ等开发环境下开发 用户自己的应用程序。可以工作在Ｗｉｎ９Ｘ／Ｍｅ、ｗｉ１１２０００／ ＸＰ等操作系统下实现ＣＡＮ协议ＣＡＮ２．０Ａ和ＣＡＮ２．０Ｂ规 范。ＶＣ环境下接口库函数使用方法如下： 了，接线明显减少，施工方便，系统的可靠性得到提高，特别 １）把库函数文件都放在工作目录下。库函数文件总共 是工程费用下降，更易被用户接受。 有三个：Ｃｏｎｔｒｏ１ｃＡＮ．ｈ、ＣｏｎｔｒｏｌＣＡＮ．１ｉｂ、ｏＣｎｔｒｏｌＣＡＮ．ｄＵ和一 参考文献 个文件夹ｋｅｒｎｅｌｄｌｌｓ ［１］刘和平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０Ｘ ＤＳＰ结构、原理及应用［Ｍ］． ２）在扩展名为．ＣＰＰ的文件中包含Ｃｏｎｔｒｏ１ＣＡＮ．ｈ头文 北京：北京航空航天大学出版社，２００２：１８９—２０６． 件。如：＃ｉｎｃｌｕｄｅ“ＣｏｎｔｒｏｌＣＡＮ．ｈ” ［２］周立功单片机发展有限公司．ＣＡＮ２３２智能ＣＡＮ接口 ３）在工程的连接器设置中连接到ＣｏｎｔｒｏｌＣＡＮ．１ｉｂ文 卡用户手册．广州：周立功单片机发展有限公司，２００３． 件。如：在ＶＣ７环境下，在项目属性页的配置属性一连接器 ▲．－。。．。＋ＣＡＮ ＢＵＳ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒ锄０ｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｍ ＫｅＹａｎ－ｍｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ Ｈｕｂｅｉ ４３５００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ＣＡＮ ｂｕｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏ ｔｈｅ ｆｉｌｅｄｂｕｓ ＣＡＮ．Ｔｈｅｎ ｔａｋｉｎｇ ＤＳＰ ｃｈｉｐ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ＣＡＮ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ＣＡＮ２３２ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＣＡＮ ａｄａｐｔｅｒ ｃａｒｄ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｉｔ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ＣＡＮ ｂｕｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＣＡＮ ｂｕｓ；ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７；ＣＡＮ２３２ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃａｒｄ （上接第９页） 总之，去耦电容在ＰＣＤ中的应用是解决高频高速信号 线路受电磁干扰的可能性比较大。图４是不恰当的去耦电 频繁出现的有效方法之一，也是解决ＰＣＢ的ＥＭＣ设计问题 容布线。 的基本方法之一，要求选择合适的电容，合理安放，以提高信 ５０ｃｍ 号质量。 ５０ ｃｍ． ７ｃｍ ＋—————＇ 图４不恰当的去耦电容布线 ７ ｃｍ·●————＋ 如果换成图５的走线方式，到电路板上电容的电源线和 图５恰当的去耦电容布线 地线彼此靠近。此电路板中电源线和地线的配合比图４中 参考文献 恰当。电路板中电子元器件和线路受电磁干扰（ＥＭＩ）的可 ［１］邝坚．华清远见Ｃａｄｅｎｃｅ ＰＣＢ初级设计［Ｍ］．北京：清 能性降低了６７９／ｌ２．８倍或约５４倍。 华大学出版社，２００４． ４小结 ［２］Ｙｏｒｂｅ Ｚｈａｎｇ．ＰＣＢ的ＥＭＣ设计［Ｊ］．电子工程专辑， ２００５． Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｃｏｕｐｌｅ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｆｏｒ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｏ－ｘｉｇｎ （Ｊｉａｎｇｘｉ Ｂｌｕｅ Ｓｋｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＮａｎｃｈａｎｇＪｉａｎｇｘｉ ３３００９８，Ｃｈｉａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＣＢ ｉｓ ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ｄｉｆｉｃｕｌｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｍｕｃｈ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｎｇａｌ，ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｎｇ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｐｒｏｂｌｍｅ ａｔｔｅｈｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅｇｉｖｅｓｔｅｈｃｏｒｋｉｇｎｍｅｔｈｏｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｅｈｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｅｈ ｓｉｇ— ｎａ１．Ｔｈｅｍａｉｎ ｖｉｅｗｉｎｃｌｕｄｅｓ：ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｃｈｏｏｓｉｇｎｔｈｅｔｙｐｅｏｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅａｎｄ ｐｕｔｔｉｇｎｔｈｅ ａｃｐａｃｉｔｎａｃｅｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｃｏｕｐｌｉｇｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ；ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｌｘｘａｒｄ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄｅｓｉｎｇ
