旁路電容諧振-EDN 電子技術設計

2021-01-10 EDN電子設計技術

理想電容只存在於教科書中。現實世界的每個電容都會因其物理結構而變得更加複雜。由介電層隔開的兩個板與導線或金屬箔串聯，即可實現實際的連接。這兩個金屬導體會引入等效串聯電感（ESL），以及等效串聯電阻（ESR）。總而言之，物理電容就是一種串聯諧振電路，具有串聯諧振頻率以及受串聯電阻影響的串聯諧振因子「Q」。Itiednc

電容並不僅僅局限於其字面意思。在低於其串聯諧振的頻率下，電容會對電激勵表現出容性阻抗。而在高於其串聯諧振的頻率下，它對電激勵表現出感性阻抗。Itiednc

關於寬帶軌電壓旁路，一個傳統的觀點認為應該使用不同容量的電容並聯組合。常見的並聯組合陣容包括：一個大容量的鋁或鉭電解電容C1；一個大容量的陶瓷電容C2；一個小容量的陶瓷電容C3；電路板的布線電容，稱之為C4；以及天知道從哪裡來的電容，比如線束電容和/或半導體器件電容，稱統為C5。Itiednc

請記住，這五個電容中的每一個都不是單獨的電容，而是一個串聯組合，包括電容、電感和電阻。總之，它們由串聯的RLC電路構成，將在串聯諧振頻率（SRF）處表現出串聯諧振，其中SRF=1/(2π√ (LC))。對於如上所述並聯連接的五個電容的組合，將會有五個串聯諧振頻率，並且還會有四個並聯諧振頻率，如圖1所示。Itiednc

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圖1：5個並聯電容的9個諧振頻率。Itiednc

四個較小的電容C2~C5在四個頻率處進入並聯諧振狀態，這四個頻率略低於它們各自的串聯諧振頻率。然而，C1並沒有任何並聯諧振，因為該電容沒有任何感應可以產生並聯諧振效應。Itiednc

使用SPICE和一些示例數字，我們可以深入研究這一問題，如圖2所示。Itiednc

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圖2：SPICE中5個電容的並聯旁路。Itiednc

此處顯示的阻抗測量方法在文章「在SPICE中進行阻抗測量」中有詳細描述。Itiednc

對於這五個電容，將有五個串聯自諧振頻率，即SRF1、SRF2、SRF3、SRF4和SRF5，其中每一個電容都在其自身的SRF處阻抗最小。但是，不可避免地，在頻率PRF2、PRF3、PRF4和PRF5處會產生四個總阻抗的並聯諧振峰值。Itiednc

PRF2源於C2~C5組合的容抗與C1感抗之間的並聯關係。類似地，PRF3來自C3~C5的組合容抗與C1~C2的組合感抗之間的並聯關係，而PRF4來自C4~C5對C1~C3的並聯關係，最後，PRF5來自C5對C1~C4的並聯關係。Itiednc

五個阻抗零點和四個阻抗峰值都受到電阻值的影響，圖3給出了一個示例。請注意，並聯諧振頻率本身不能完全消除，並聯諧振將永遠存在，你必須考慮到這一點。Itiednc

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圖3：ESR的阻抗曲線變化。Itiednc

注意：這個問題首先在一個項目中引起我的注意，其中一個門控陣列的時鐘頻率為16MHz，結果一些並聯軌旁路電容的並聯諧振頻率也是16MHz。很難說這會發生什麼結果，請讀者朋友們自己想像吧。Itiednc

（原文刊登於ASPENCORE旗下EDN英文網站，參考連結：Bypass capacitor resonances。）Itiednc
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《電子技術設計》2018年11月刊版權所有，禁止轉載。Itiednc
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