原创 关于旁路电容的深度对话(第三部分)

继续关于排版的讨论

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。本文是对话的第三部分。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。

下面是，第三部分的对话，请“聆听”并学习。

(Tamara博士拿着一袋发着沙沙响声的书进入她的办公室，当Dave从旁边走过时她把那袋书扔在了桌子上。)

Dave: 嗨，Tamara:博士，你往那里扔什么？

Tamara: 那是我们的读者邮件。

Dave: 我们收到邮件？你的意思是喜欢“来自新泽西Fort Lee的Richard Fader写道：这就是我听说的关于电容器的一切抱怨吗？”之类的邮件？

Tamara: 是的，就是那样的信件。

Dave: 关于电容器以及排版吗？

Tamara: 当然！这是一封来自Kyle(所有读者的姓名被改变，以保护他们隐私)。在高幅度射频场中，他惯常于把电容器级联起来以旁路他的电路。

Dave: 正如我们所说的，有时候你需要这么做，但是，许多时间你不需要这么做。

Tamara: 他也问到了耦合电容。看来他们在耦合电容上遇到的问题不如在旁路电容上遇到的问题大。

Dave: 是的，我已经注意到了那个问题，但是，一些人担心采用大的耦合电容，因为它太慢。我认为，他们的思路不正确。

Tamara: 在今后的讨论中我们将着手解决那个问题。这里是Carl的评价。他对我们最近关于接地平面上的电压降问题提出的解决方案感到不确定。他认为，在它(感应作用)周围或者需要磁通，或者它仅仅是一个通常很小的IR降。

Dave: 是的，我们通常在视频系统中谈到的60dB的串扰非常小，意味着有几个毫伏的有害信号。上次在例子中我们证明了，为了便于描述，我们把电路做了相当多的简化。实际电路在每一个通道具有完整的直流恢复(具有电子机械继电器)，并且它是通孔元件。从图1所示可见，当通孔元件或过孔破坏了一个接地层时会发生什么情况。

图1：视频混合器的电路板排版图。边缘电流线显示出现串扰的可能性；带引脚的元件破坏接地层，并把电流线聚集在一起。

Tamara: 你的意思是你不用表面贴装元件，因此，接地层上充满了带引脚的元件的通孔？

Dave: 是的，来自输入的大多数回流通过围绕这个电路的窄带之中。与实体接地层相比，电阻要更大。

Tamara: 因此，边缘电路被更多地拥挤在一起。

Dave: 是的。串扰比你想像的要多。表面安装的元件对解决这个问题有很大帮助，因为它们具有更少的通孔，但是，把接地层分开是明智且容易的事情，并且不论你是否拥有大量的过孔它均能消除这个问题。如图2所示。

图2：视频混合电路板利用分开的接地层来把串扰最小化。

Tamara: 免费、容易且有效—听起来就像放之四海皆准的惯例。

Dave: 那真是我一直思考的事情。你在哪个领域取得了什么进展？

Tamara: 我已经跟两家电容器公司X2Y以及KEMENT的代表进行了接触。

Dave: 他们怎么想的？

Tamara: 我们在旁路电容上花费了太多的精力，你不知道你怎么想的吗？

Dave: 啊，是的，我的意思是它们仅仅是电容器。

Tamara: 他们说，我们的研究不够。我们仅仅考虑两维。他们甚至要考虑电容器内部的侧景(side view)。

Dave: 他们重视我们建议的那样的电流路径吗？

Tamara: 是的，通过减少他们的电容器的引脚的垂直封装面积，他们把等效串联电感(ESL)的标准数值从大约2nH降低为原来的1/5。

Dave: 因此，即使专业公司也重视该电流(如释重负地叹息)。我们站在可巨人的肩膀上(停顿，心不在焉地凝视远方…)

Tamara: Dave. . . . DAVE. .

Dave: 哦，对不起。那么，现在我们在哪里跟踪电流路径，Tamar博士。

Tamara: 我认为，我们需要做稍微深入的讨论，并通过一个例子分步讨论。我认为，我们的读者了解电流路径对于放置他们的旁路电容是至关重要的，但是，可能需要一个实例。让我们看看在一个简单的电路中，电流是在哪里流过的。让我们看看驱动一个负载的运放的输出。下面是一块简单的电路和电路板。

Dave: 好，让我们把讨论做的有趣一些。对于输入偏置级的电压参考来说，怎么样？

Tamara: 图3所示为具有增益为2的单电源运放配置。

图3：简单的运算放大器以及电压参考电路。

Dave: 电压参考偏置均以电源电压的一半来输入以获得最佳的输入范围。

Tamara: 这次我们为排版选择采用双层电路板(上次那块板子采用四层板)。第二层几乎是完整的接地层，在输入和输出线上是两条跳线，如图4所示。

图4：单运放及其电压参考电路的印刷电路板排版。

Dave: 让我们跟踪电流的路径(图5a和图5b)。

图5a和图5b：在参考电压中的交流以及直流路径。

Tamara: 工程师们有时会混淆交流以及直流路径，因此，让我们把交流高频路径标记为蓝色，而把直流路径标记为绿色。

Dave: 我要深入探讨一下。我用实线把驱动电路标出，因为它们的电流大多数在顶层流动并且回路用虚线表示，因为它们在接地层上的流动占突出地位。

Tamara: 你真厉害！

Dave: 你可能认为，参考电源仅仅是直流电源，但是，它也是放大器中交流电路的一部分。要核查在参考电路中的高频电流路径。

Tamara: 我特别想知道，无源元件的堆叠如何让你干净地引入输入线并在U2、R4、C3和C5之间共享一小块接地焊盘。

Dave: 那并没有阻止我构建一条从R3至那个输入网络的紧凑(布局很好)的反馈路径。

Tamara: 高频路径是短且紧凑的，其环路通过输出旁路电容器C5以及参考旁路电容器C3。我猜测那就是为什么你把C3放在放大器U2附近，而不是放在上面的参考芯片U1旁边。在顶层上它们甚至共享额外的接地连接。

Dave: 没错。我们想要高频电流包含小的闭合面积，这意味着电感小。为了形成对照，请参见直流电流的回路。

Tamara: 它们在整块板子上展开并且甚至似乎离开电路板的顶层。

Dave: 是！直流电流必须来自电源，那意味着它进入并离开连接器或找到它流去本地电源调整器的途径。在任一情形下，路径的面积均大。

Tamara: 那就是为什么我们在第一个地方采用旁路电容器：把高频电流保持在本地，并分流会引起大量不希望出现的电压降的感性以及阻性路径。

Dave: 现在，请看以下放大器的输出电流(图6a和图6b)。

图6a和图6b：在运放中的交流以及直流路径。

Tamara: 再看看在电路板顶层上展开的直流电流(在连接电源的地方)，但是，在紧凑的环路中交流电流非常接近输出放大器。

Dave: 交流回路除非在接地层上展开，否则不会依靠自己或跨越它自己构成回路。那就是最小化串扰的良好实践。

Tamara: 这一次在你的接地层上没有出现你的著名的切割，为什么没有？

Dave: 那个信号的确没有机会相互作用。信号流直接从左边流向右边—输入至输出。我们没有画出输入电流路径，这留给读者做练习。

Tamara: 然而，如图2所示的接地层切割在把信号线围起来并防止边缘电流相互作用上最为有用。

Dave: 绝对正确。可是，不要忘记这整个对话是从旁路电容器开始讨论的。

Tamara: 是的，的确如此。我们能够选择正确的电容器的尺寸、类型和封装，然而，如果我们不对排版进行最优化的话，那也不会有效。

Dave: 那可能是我们能够说的最重要的事情：关于放置旁路电容器的问题几乎总是可以通过跟踪电流的路径并最小化电流的环路面积来回答。除此之外，没有更多的其它问题。

(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(第二部分)