电容的作用通俗来讲就是存储电荷。我们都知道在每个芯片的电源脚放置一个0.1uF的电容去耦。但是,为什么是0.1uF或者0.01uF呢?
理想的电容它只是一个电荷的存储器,即C,而实际制造出来的电容却不是那么简单。分析电源完整性的时候我们常用的电容模型如图1所示。
图中,ESR是电容的串联等效电阻,ESL是电容的串联等效电感,C才是真正的理想电容。ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的,没法消除。那这两个东西对电路有什么影响?ESR影响电源的纹波,ESL影响电容的滤波频率特性。
电容的容抗:Zc=1/ωC
电感的感抗:Zl=ωL,ω=2πf
实际电容的复阻抗为:Z= ESR+jωL-1/jωC = ESR+j2πf L-1/j2πf C
可见,当频率很低的时候是电容起作用,而频率高到一定程度电感的作用就不可忽视了;再高的时候电感就起主导作用了,电容就失去滤波的作用了。所以记住,高频的时候电容就不是单纯的电容了。
电容的等效串联电感是由电容的制造工艺和材料决定的。实际的贴片陶瓷电容,ESL从零点几nH到几个nH不等,封装越小ESL就越小。
从图2中看出,电容的滤波曲线并不是平坦的,它像一个’V’,也就是说有选频特性。有时候我们希望它越平越好(前级的板级滤波),而有时候希望它越尖越好(滤波或陷波)。影响这个特性的是电容的品质因素Q:Q=1/ωCESR
ESR越大,Q就越小,曲线就越平坦;反之ESR越小,Q就越大,曲线就越尖。
通常钽电容和铝电解有比较小的ESL,而ESR大,所以钽电容和铝电解具有很宽的有效频率范围,非常适合前级的板级滤波。也就是说,在DC/DC或者LDO的输入级,常常用较大容量的钽电容来滤波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的电容来去耦,陶瓷电容有很低的ESR。
说了那么多,那到底在靠近芯片的管脚处放置0.1uF还是0.01uF?下面列出来给大家参考。