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电源去耦电容的阻抗特性

前几篇文章说了一下串行链路中的电容,下面来看看在电源去耦应用中电容的阻抗特性。

电容在PDN(power distribution network)当中的示意图

想要知道电容如何降低PDN阻抗,首先就要知道电容自身的阻抗特性,自身寄生参数的影响。

话不多说,首先思考一下,纯电容的阻抗是什么样的?

我们可能会想到这样一个公式:

Z=1/(2*pi*f*c)

没错,可是这样不太能帮助我们理解电容在PDN中起到的作用,还不够直观;

我们再思考一下,如果画一个电容的阻抗 VS 频率的曲线会是什么样的呢?

如下图:

 这就是纯电容的阻抗 VS 频率曲线,在曲线中我们可以直观的看出电容阻抗和频率的关系;

 

下面再来看一下不同容值电容的阻抗曲线:

容值越大,阻抗越小,整个曲线表现为整体向下平移;

正因为电容对于高频信号表现为低阻抗特性,因此,在PDN系统中加了很多去耦电容,但是,我们已经介绍过,电容当中还有寄生电感(ESL)和等效串联电阻(ESR),所以我们还得研究寄生参数的影响;

 下面,我们来看一下,纯电感的阻抗特性,公式如下;

Z=2*pi*L*f

 同样,我们也看一下电感的阻抗 VS 频率的曲线:

 通过曲线,可以直观看到,电感的阻抗随频率的变化关系;

下面看一下,不同电感值的阻抗曲线,相信此时大家已经有了直观的印象,可以脑补出不同电感的曲线了:

 下面该电阻了,纯电阻的阻抗 VS 频率曲线如下:

这个没什么好说的了,下面重点来了:

单个器件的阻抗特性知道了,那么他们串联之后是什么样的呢,下面请看电阻和电容串联:

可以看到,RC串联后,低频部分阻抗呈现荣性,大小就是串联电容的阻抗大小,高频部分为阻性,大小为电阻的阻抗大小,下面请看电阻和电感串联:

可以看到,RL串联后,低频部分阻抗呈现为阻性,大小为电阻的阻抗大小,高频部分阻抗呈现感性,大小就是串联电感的阻抗大小,下面请看电容和电感串联:

可以看到,LC串联后,低频部分阻抗呈现为容性,大小为电容的阻抗大小,高频部分阻抗呈现感性,大小就是串联电感的阻抗大小,而不同于与电阻串联的一点就是,LC串联会形成谐振,谐振点的频率可以这样计算:

 

在谐振点处,电容的阻抗值等于电感的阻抗值,即

Z=1/(2*pi*f*c)=2*pi*L*f

推导出f=1/(2*pi*)

 

在知道了电容和电感值之后,就可以求出谐振点频率,在此频率之前为容性,在此频率点之后为感性,下图的相位就说明了这一点;

好了,以上这些是基本功,都是为了更好地了解非理想电容的阻抗特性做准备,下面请看真实电容的阻抗特性,即RLC串联(简单模型)

RLC串联后的曲线和LC比较像,同样是有一个自谐振频点,计算方法相同,在自谐振频点以前呈现容性,在自谐振频点以后呈现感性,LC之间也同样存在谐振,不同的是,此时的谐振大小是受控的,大小等于等效串联电阻的大小;

 这就是非理想电容的阻抗特性,一定要印在大脑中,正是因为电容对高频的低阻抗特性,我们选择电容来降低PDN阻抗,但也因为电容的寄生参数导致的在某一频段后呈现为感性,因此要选取自谐振频点合适的电容,下面对比几个非理想电容的阻抗曲线,曲线来自电容厂家官方网站spice模型:

上边就是几组不同容值的电容阻抗曲线,从10nF到100uF,可以看到,在这个范围内(都是贴片陶瓷电容)寄生电感基本是差不多的,而由于电容容值的不同,导致各自的自谐振频点不同,因此在PDN中去耦时,就要选择合适的电容;

那么电容除了自身的自谐振频点以外,不同的电容在并联使用时还会出现反谐振频点,下篇文章就对相同容值电容并联、不同容值并联这两种情况来看电容并联的阻抗特性,这一特性在电容去耦时也会起到反作用,所以也是至关重要的一点。

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CDJ01
LV.4
2
2022-09-20 18:55

内容很好,可以很好的解释去耦电容为什么选择一个1uF和0.01uf的了,小电容滤高频

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tanb006
LV.10
3
2022-09-20 23:22

LC串联可以谐振。那并联的时候怎么看频谱曲线?

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2022-09-20 23:27

电藕对能量传输曲线会有哪些影响

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2022-09-21 07:27

串联对电容阻抗有什么影响

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2022-09-21 19:27

这个问题以前考虑不多,在以后的设计中需要多考虑考虑,谢谢楼主

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hanyu56
LV.1
7
2022-09-22 21:50

电源去耦电容采用10uF和0.1uF搭配,分别滤除低频和高频噪声干扰;如果是在其他场合使用电容时,应选择自谐振频率是工作频率的3到5倍以上的电容元件,否则会呈现比较强的寄生效应。

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2022-09-22 22:32

电容自身的阻抗特性,自身寄生参数的影响,ESL参数该如何获取呢

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2022-09-24 13:41

之前在电路设计中串联电容,只是考虑到它的标称电容量和容差、额定电压之类的,对于它的阻抗考虑的比较少,这篇文章讲得很详细,带有图表,很容易理解,感谢了

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2022-09-28 19:08

感谢分享   学习了

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阿飞啊
LV.5
11
2022-09-28 19:37

在PDN中去耦时,就要选择合适的电容

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Marcia
LV.5
12
2022-09-28 19:47

图文详细  谢谢楼主分享  收藏学习了

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Marcia
LV.5
13
2022-09-28 19:48

如果画一个电容的阻抗 VS 频率的曲线会是什么样的呢?

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cmdz002
LV.5
14
2022-10-20 14:21

由于电容容值的不同,导致各自的自谐振频点不同,因此在PDN中去耦时,就要选择合适的电容。

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XHH9062
LV.8
15
2022-10-23 23:42

期待楼主的下篇分享

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小布叮
LV.4
16
2022-10-24 22:32

d电容如何串联?

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dy-nmLUWFNr
LV.7
17
2022-10-25 09:37

阻抗对最终的输出曲线会有哪些影响

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dy-nmLUWFNr
LV.7
18
2022-10-25 09:38

文章内容比较丰富

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dy-TMelSvc9
LV.7
19
2022-10-25 10:25

内容很丰富,学习了

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aebote
LV.1
20
2022-10-25 21:47

能否详细讲下PDN阻抗的概念,谢谢!

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2022-10-25 22:04

不同的电容在并联使用时还会出现反谐振频点

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鲁珀特
LV.4
22
2022-10-26 11:05

讲的很详细,从原理上说明了去耦电容的选择。

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2022-11-13 15:52

电容除了自身的自谐振频点以外,不同的电容在并联使用时还会出现反谐振频点

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方笑尘MK
LV.6
24
2022-11-19 13:15

文章写得很好啊,图文并茂,方便大家学习理解,感谢额

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听听1234
LV.2
25
2022-11-28 14:38

容值越大,阻抗越小,整个曲线表现为整体向下平移;

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紫蝶
LV.9
26
2022-12-15 09:56
@CDJ01
内容很好,可以很好的解释去耦电容为什么选择一个1uF和0.01uf的了,小电容滤高频

的确分享的不错。学习了、这个电容一般选择0.1或1uF的就好。根据频率段选择。

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hjk23
LV.2
27
2023-01-20 13:09

去耦电容的阻抗特性描述的很详细,非常受用,感谢

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LV.1
28
2023-02-16 10:55
@tanb006
LC串联可以谐振。那并联的时候怎么看频谱曲线?

并联也会谐振呀

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2023-04-26 21:59

内容详细,去耦电容讲解到位,收益颇多

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k6666
LV.9
30
2023-05-15 15:00
@hanyu56
电源去耦电容采用10uF和0.1uF搭配,分别滤除低频和高频噪声干扰;如果是在其他场合使用电容时,应选择自谐振频率是工作频率的3到5倍以上的电容元件,否则会呈现比较强的寄生效应。

电源去耦处理经常采用小容值的电容,不同的频率处理选择电容的材质也不同的。

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only one
LV.5
31
2023-05-26 23:49

电容除了自身的自谐振频点以外,不同的电容在并联使用时还会出现反谐振频点,那再电路中总是有电容并联电阻使用,到底呈什么形态呢?

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