原创 关于旁路电容的深度对话(第二部分)

通过一次关于基本知识的对话，让我们深入考察那没有什么魅力但是极其关键的旁路电容和去耦电容。

编辑引言：旁路电容是关注度低、没有什么魅力的元器件，一般来说，在许多专题特写中不把它作为主题，但是，它对于成功、可靠和无差错的设计是关键。

来自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz参加了关于该主题的进一步对话。本文是对话的第二部分。Dave和Tamara信仰辩论的价值、教育的价值以及谦虚地深入讨论核心问题的价值；简而言之，为了获取知识而展开对一个问题的讨论。下面请“聆听”并学习。

Tamara: 我们上次关于旁路电容的对话很好，但是，我认为这个话题没有结束。我们假设电容的低边有一块完美的接地层可用。然而，在一半的情况下，这并不是有效的假设。

David: 我听您说，博士。那天一位同事向我展示了他的最新的板子。“我用的是四层板，完整的接地层，”他真诚地说，“没有问题呀。”我没有把握他说的是否正确。

Tamara: 是的，接地层大有帮助，如果你使用正确的话。

David: 正如我们所说的，旁路电容应该尽可能近地放在电源的旁边。我们假设读者知道把电容的另一边连接至良好的接地层。

Tamara: 可是，让我们确切一点说。你说的“良好的接地”或“良好的接地层”是什么意思？

David: 啊，接地应该是0V。

Tamara: 然而，它真是真正的零伏吗？

David: 不，当然不是。总是存在一些阻抗，总是存在一些引起电压降的电流。

Tamara: 因此，在一点的地电压永远不会跟另一点一样。

David: 有时候，当我们研究隔离问题时，我们可以假设局部接地层的电压是相对一致的。另一方面，有些应用处于高频环境中，例如，接近发射器或微波炉。这些设备有大量的信号耦合进它们的接地层之中。

Tamara: 那么，我们如何构建一块“良好的接地层”呢？我们的读者应该仅仅采用接地层吗？

David: 有时候答案是肯定的。

Tamara: 然而，在接地层上时常存在足够大的电流，从而引起从一点至另一点之间出现巨大的电压降。

David: 因此，问题在于，你如何在一个系统中把每一个电路接地以最优化性能？

Tamara: 那取决于电路的类型。

David: 是的，你可能在一个系统中要采用多种接地方案。

Tamara: 当然，所有的地最终都要接在同一个地方。

David: 是的，然而，我们要把每一块接地层直接连接至一个地方吗？

Tamara: 我们可以这么做，而那被称为星型接地(这是一种非常流行的接地方式，如果使用正确，是一种成功的接地方式)。

David: 对于小的电路我们已经采用了那种技术，但是，对于较大的电路我们还需要研究。

Tamara: 当你设计大面积的电路时，问题更为严峻。你不能让一个有用的旁路电容距离元件0.5英寸开外连接。总的引线电感将让电容的性能退化。

David: 我喜欢把接地看成是一种局部现象。跟随通过围绕一颗芯片(例如)的小的局部环路的电源和输入电流，并保持那个环路尽可能小和紧凑。来自局部电路的各个接地层然后连接至较大的接地系统，这一接地系统要根据较大等级的电流进行设计。

Tamara: 你可以举一个例子吗？

David: 当然，(例1)我们正在构建一个两输入的视频示波器(称为“波形监视器”)。如图1所示为前端的简化电路图。

图1：两通道可选前端电路图。

Tamara: 那是几个馈入2:1复用器的视频放大器，在输出端上有一个缓冲放大器，对吗？

David: 非常正确。我们设计了一块像这样的板子(图2)。

图2：两通道可选前端的布局。

David: 这是一块四层电路板，尽管有两层用得很少(浅蓝和深蓝)。红色是顶层，最后一层是接地层。

Tamara: 设计和布局看起来非常简单和干净。

David: 然而，在各个输入之间存在太多的耦合。(即使当输入B被关闭时，它示出输入A的衰减版)。

Tamara: 在输入B上的信号有多大？

David: 在我们的视频应用中，任何大于-90dB的信号均是不可接受的。我们要测量的信号大约为-55dB。

Tamara: 我要更仔细地看看引起耦合的边缘电流(图3)。

图3：显示边缘电流的前端布局。

Tamara: 我明白。正是来自输入A的边缘电流在输入B中引起一个信号。

David: 那正是我们所猜测的。当边缘路径重叠时，我们就会发现存在串扰。为了验证这一理论，我们在电路板上切了几刀，如图4所示(绿色线是切割线)。

图4：具有割裂接地层(绿色)的两个通道的可选前端布局。

David: 太令人惊讶了！耦合消失了—它实际上低于噪声的电平。

Tamara: 那么，为什么那样做管用呢？

David: 沿着电流的走向，总是存在一条环路，在接地层内部总是存在边缘电流以及因那些电流而产生的电压降。切割防止电流的混合，因此，它们不再能够从输入A直接耦合至输入B(或反之亦然)。

Tamara: 那么，这就是一个接地层布线错误的例子。具有切割线的接地层实际上表现更好。

David: 是的，大多数人认为，提供一条至地(像一接地层)的低阻抗连接就足够了。有时候，那的确正确，但是，另一方面它可能是错误的。如果你的确需要高度隔离，你就需要围绕整个环路跟随并控制电流。

Tamara: (例2)如果你确实有一块单芯片，那么，采用一块接地层就是好点子。让我们采用你已经示出的版图中的输入放大器的地。图5示出了我是如何把0.1 μF的旁路电容跨接在接地层上的。

图5：具有通孔到接地层的运算放大器的版图。

David: 连接至地的通孔给旁路电容增加了一个串联电感，正如布线一样。芯片的地连接(如果它有一条的话，这个运放却没有)通常有一个通孔把它连接到地，因此，环路具有两倍的通孔电感。

Tamara: 在左边的两个电阻(输入端和增益电阻)也连接到地。通过这四条连接可以给这个芯片提供非常好的局部接地。

David: 我们常常通过在芯片底部增加一条布线(仍然在顶层)来改善这种情况。这为从电源到地的回路提供一条直接和紧凑的环路。在这种情形下，在芯片下面没有空间把左边一对接地通孔与右边一对接地通孔连接在一起，因此，我通过在第一层增加焊盘来进一步降低接地层的阻抗，如图6所示。

图6：具有连接到接地层和顶层焊盘的运算放大器的版图。

Tamara: 布线的厚度怎么样？厚的布线给出低阻抗的连接。看来你会把所有的电源和接地布线做的尽可能宽。你曾经想过采用细的布线吗？

David: 当然，我们努力保持围绕本地环路的阻抗非常小，但是，我们实际上想要回到电源的阻抗更高。细的布线实际上增加了一些跟主电源线的去耦，有助于把芯片与系统的其它部分隔离。

Tamara: 请在图2中指给我看看。

David: 高频路径就围绕着芯片。淡蓝色的布线就是厚的、低阻抗的电源线。更细的布线把每一个芯片与那些电源线连接。高频信号将维持在本地，而不会传输回电源。

Tamara: 你经常采用铁氧体磁珠把高频干扰与电源的其它部分去耦吗？

David: 当然了，如果你有板子空间并且预算允许装一个的话。否则，采用更细的布线就是粗糙但有效的替代方案。

Tamara: 在我们结束采访前，我提最后一个问题。人们问我：你相信多点或星型接地吗？那就像是一个宗教问题。他们问你同样的问题吗？

David: 时常会遇到这样的提问。然而，我不知道如何回答这个问题，因为我把各种技术综合起来运用。你需要利用你的所有独创性来设计接地系统。那并不是信仰问题。

Tamara: 我赞成你的见解。正如我能在这里所讨论的，那是就是要跟着电流走！

(未完待续)

相关链接：

关于旁路电容的深度对话(第一部分)

关于旁路电容的深度对话(第三部分)