如何通过电源去耦来保持电源进入集成电路(IC)的各点的低阻抗?
衡丽科技 2024-06-13

如何通过电源去耦来保持电源进入集成电路(IC)的各点的低阻抗?

诸如放大器和转换器等模拟集成电路具有至少两个或两个以上电源引脚。对于单电源器件,其中一个引脚通常连接到地。如ADC和DAC等混合信号器件可以具有模拟和数字电源电压以及I/O电压。像FPGA这样的数字IC还可以具有多个电源电压,例如内核电压、存储器电压和I/O电压。

不管电源引脚的数量如何,IC数据手册都详细说明了每路电源的允许范围,包括推荐工作范围和最大绝对值,而且为了保持正常工作和防止损坏,必须遵守这些限制。

然而,由于噪声或电源纹波导致的电源电压的微小变化—即便仍在推荐的工作范围内—也会导致器件性能下降。例如在放大器中,微小的电源变化会产生输入和输出电压的微小变化,如图1所示。


图1. 放大器的电源抑制显示输出电压对电源轨变化的灵敏度。

放大器对电源电压变化的灵敏度通常用电源抑制比(PSRR)来量化,其定义为电源电压变化与输出电压变化的比值。

图1显示了典型高性能放大器(OP1177)的PSR随频率以大约6dB/8倍频程(20dB/10倍频程)下降的情况。图中显示了采用正负电源两种情况下的曲线图。尽管PSRR在直流下是120dB,但较高频率下会迅速降低,此时电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至输出。

如果放大器正在驱动负载,并且在电源轨上存在无用阻抗,则负载电流会调制电源轨,从而增加交流信号中的噪声和失真。

尽管数据手册中可能没有给出实际的PSRR,数据转换器和其他混合信号IC的性能也会随着电源上的噪声而降低。电源噪声也会以多种方式影响数字电路,包括降低逻辑电平噪声容限,由于时钟抖动而产生时序错误。


◀ 适当的局部去耦在PCB上是必不可少的


典型的4层PCB通常设计为接地层、电源层、顶部信号层和底部信号层。表面贴装IC的接地引脚通过引脚上的过孔直接连接到接地层,从而最大限度地减少接地连接中的无用阻抗。

电源轨通常位于电源层,并且路由到IC的各种电源引脚。显示电源和接地连接的简单IC模型如图2所示。


图2. 显示走线阻抗和局部去耦电容的IC模型

IC内产生的电流表示为IT。流过走线阻抗Z的电流产生电源电压VS的变化。如上所述,根据IC的PSR,这会产生各种类型的性能降低。


通过使用尽可能短的连接,将适当类型的局部去耦电容直接连接到电源引脚和接地层之间,可以最大限度地降低对功率噪声和纹波的灵敏度。去耦电容用作瞬态电流的电荷库,并将其直接分流到地,从而在IC上保持恒定的电源电压。虽然回路电流路径通过接地层,但由于接地层阻抗较低,回路电流一般不会产生明显的误差电压。


图3显示了高频去耦电容必须尽可能靠近芯片的情况。否则,连接走线的电感将对去耦的有效性产生不利影响。

图3. 高频去耦电容的正确和错误放置

图3左侧,电源引脚和接地连接都可能短,所以是最有效的配置。然而在图3右侧中,PCB走线内的额外电感和电阻将造成去耦方案的有效性降低,且增加封闭环路可能造成干扰问题。


◀ 选择正确类型的去耦电容


低频噪声去耦通常需要用电解电容(典型值为1µF至100µF),以此作为低频瞬态电流的电荷库。将低电感表面贴装陶瓷电容(典型值为0.01µF至0.1µF)直接连接到IC电源引脚,可最大程度地抑制高频电源噪声。所有去耦电容必须直接连接到低电感接地层才有效。此连接需要短走线或过孔,以便将额外串联电感降至最低。


大多数IC数据手册在应用部分说明了推荐的电源去耦电路,用户应始终遵循这些建议,以确保器件正常工作。

铁氧体磁珠(以镍、锌、锰的氧化物或其他化合物制造的绝缘陶瓷)也可用于在电源滤波器中去耦。铁氧体在低频下(<100kHz)为感性—因此对低通LC去耦滤波器有用。100kHz以上,铁氧体成阻性(低Q)。铁氧体阻抗与材料、工作频率范围、直流偏置电流、匝数、尺寸、形状和温度成函数关系。


铁氧体磁珠并非始终必要,但可以增强高频噪声隔离和去耦,通常较为有利。这里可能需要验证磁珠永远不会饱和,特别是在运算放大器驱动高输出电流时。当铁氧体饱和时,它就会变为非线性,失去滤波特性。


请注意,某些铁氧体甚至可能在完全饱和前就是非线性。因此,如果需要功率级,以低失真输出工作,当原型在此饱和区域附近工作时,应检查其中的铁氧体。典型铁氧体磁珠阻抗如图4所示。

图4. 铁氧体磁珠的阻抗

在为去耦应用选择合适的类型时,需要仔细考虑由于寄生电阻和电感产生的非理想电容性能。



声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
  • 相关技术文库
  • 模拟
  • 模电
  • 运放
  • 放大
  • CD-ROM与DVD的比较

    CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory)即只读光盘,是一种在电脑上使用的光碟。这种光碟只能写入数据一次,信息将永久保存在光碟上,使用时通过光碟驱动器读出信息。CD的格式最初是为音乐的存储和回放设计的,1985...

    昨天
  • 曼彻斯特编码中的时钟和数据传输

    曼彻斯特编码(Manchester)又称裂相码、同步码、相位编码,是一种用电平跳变来表示1或0的编码方法,其变化规则很简单,即每个码元均用两个不同相位的电平信号表示,也就是一个周期的方波,但0码和1码的相位正好相反...

    昨天
  • 耳机降噪隔声的原理:有源降噪

    补充前节的一个疑问:降噪后声波的能量去那了。有人说是给喇叭吸收转化为热了,这个论述对么?

    前天
  • MOS管开关电路中,上拉电阻和下拉电阻有什么区别?

    今天我们一起来了解一下MOS管开关电路中,上拉电阻和下拉电阻有什么区别?

    前天
  • 深入理解运放的CMRR

    本文整理了运放CMRR的定义,如何使用CMRR计算共模电压引入的误差(折算到同相输入端),并仿真进行了验证。限制运放自身CMRR的因素我们简单了解即可,因为运放自身CMRR通常很大,不是误差主因。电阻匹配才是差分放大器CMRR恶化的主因。

    前天
  • 分析一个隔离电压线性采集电路

    最近小黄鱼上花了一块钱买了一个隔离的线性采集电路的图纸,将其主要电路分享与各位道友,电路采用线性光耦和运算放大器做的隔离采集电路,可以将信号通过运算放大器+线性光耦隔离后传递给后级电路。电路图大致如下:

    07-19
  • GD32 MCU ADC采样精度优化方法

    ADC采样精度受很多因素影响,比如电源波动、参考电压波动、输入信号波动等,GD32 MCU内部提供了一个参考电

    07-19
  • 多款电流检测电路的应用

    分析高端、低端电流检测实用电路

    07-19
  • 如何使用螺旋扫描记录技术进行视频存储?

    磁带是一种用于记录声音、图像、数字或其他信号的载有磁层的带状材料,是产量最大和用途最广的一种磁记录材料。通常是在塑料薄膜带基(支持体)上涂覆一层颗粒状磁性材料或蒸发沉积上一层磁性氧化物或合金薄膜而成。...

    07-18
  • 三类功放电路的总结

    1、传说中的功放传说中的“功放”就是功率放大器的简称,为什么我们一提到功放就会想到音响设备呢?

    07-18
  • 电压比较器如何实现正弦波到方波的转换?

    电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路,是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口,...

    07-18
  • DSL接入方案比较:电话线路改造与否

    人们通常把所有的DSL技术统称为xDSL技术,“x”代表着不同种类的数字用户线路技术。各种数字用户线路技术的不同之处,主要表现在信号的传输速率和距离,以及对称和非对称的区别上。 对称DSL对称DSL技术主要用于替代...

    07-18
下载排行榜
更多
评测报告
更多
EE直播间
更多
广告