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用100nf电容给72Mhz时钟信号退耦合适么?

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发表于 2023-10-30 08:30:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
先贤有云,人生有三境界“看山是山,看水是水;看山不是山,看水不是水;看山还是山,看水还是水。”这三个阶段,真实反应了先贤对世事万物认知过程的突破进阶过程。而作为一名硬件开发人员,对硬件技术的认知,最近也发现有 了一定的提升。
7 H2 F6 ?9 V% a# z: L" `" c* [; t. O- s1 M9 O8 V
一个面试题# E+ S+ o/ O: m  g% E. s/ n

& U! t6 h# ]! X! `: x先抛出来一个面试题:用100nf的电容滤除72MHz干扰时钟信号,是否合适?先思考下。( Z/ i& A9 Y$ i1 c

4 S2 f; m3 k! Z4 ^& \! m* I/ ]6 z6 h/ O电容的等效模型: ~. }/ B  ~7 ^, A# v9 \
& k/ x, |% L& P+ x# E6 _
低频时,瓷片电容 就是一颗电容。$ Y% N8 m" k: V& |. {$ S9 A
* y% b( l. X' Y+ w- L

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8 i4 [2 j  {6 w2 M1 S- C* M
高频时,它就不仅仅一颗电容,而是电感L、电阻R、电容C的复合体。
' g/ n3 f7 v" h% N0 R* r

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8 n' c8 L. N  a5 {- S% L* |! Z$ s* Y& Y+ X; N
电容频率阻抗曲线的解读
: q4 r$ w9 s- j. |5 s7 `- }/ s' G+ A9 O! v) }9 k8 w* p* Y
下面实际看下电容EMK042BJ332MC(Taiyo)的频率特性曲线,在曲线中分别用不同颜色标注了几种曲线。
& _, i9 D8 v# c: {% |8 `: m; |& W% w% b. @

( u* M1 p  r+ v0 i- {) K  K" t. r
. J& j2 D, Q6 e" N1 v& z3 Y- w) |

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9 t- F1 |: l1 X0 A
& f% @& L* S  v3 [8 h( ?( t5 F1、深蓝色曲线为电容的ESR;
2 x4 C; V, K  k( j2 r2、绿色曲线为电容(理想模型)的阻抗频率曲线;
7 N, ^5 }9 z9 Z* \9 s3、天蓝色曲线为电容的ESL;
1 M6 I' v0 I- i4、粉红色曲线为电容(实际模型)的阻抗频率曲线;! T! ~+ y1 @6 n' p( }1 A" m5 `
5、红色直线为电容的自谐振频率f0。
: O3 q8 V/ t- p$ L2 N" B6、当频率ff0时,电容呈感性。( S# ]. k1 w! s# R
7、在电容的理想模型下,是不存在ESR和ESL,所以|Z|=1/wC=1/2πfC;$ f% U! `2 W9 ~5 ^8 i0 H9 K8 \
8、在电容的实际模型下,电容相当于LCR的串联,所以ESR和ESL都要考虑,Z=R+j(wL-1/wC);
8 H$ Z8 R. }9 C9、当电容处在谐振频率点时,电容的感抗和容抗相互抵消,此时阻抗最小,|Z|=ESR。
5 M' L' I% s" M% k' k2 B9 P, _9 X+ |/ H
揭晓问题答案
$ N( L6 b( I1 Y, u8 e$ ~5 g# u
4 M& N5 L. A6 A/ v3 n针对文章开头抛出来的面试题,结合上面的描述,我们一起看下100nf电容的阻抗频率特性曲线。下图是TaiyoJMK063BJ104KP-F(100nf),从曲线中可以看出,自谐振频率为30MHz,此时的ESR为21.6mΩ。
3 H! z# B' I0 C# }: l8 [4 t- C7 [当时钟频率在72MHz时,此时的工作频率已远超出100nf的自谐振频率,此时已经是呈感性。原则上讲,此时的电容已经不再是电容,而是电感!这里就如同文章开头讲的:看山不是山,看水不是水。这里再用100nf做退耦,已经不合适。- x$ W1 V& f! G1 l

* m' I& {8 i2 }

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3 b( Y( u" q+ H0 H/ L/ B% o% W
( Q; p& g, Y1 m" @$ v$ Y* R( d
那我们更深一步,用多大的电容才合适呢?& P5 l+ [0 r0 E+ K9 i. W3 E
下面再看下UMK063BJ104KP-F(10nf Taiyo),从曲线中可以看出自谐振频率为109MHz,ESR=84mΩ。当工作频率为72MHz时,仍未超过自谐振频率,电容仍表现为容性,可以起到退耦作用。7 w: z# s4 k: f8 x( |2 g3 Z
所以用小于或等于10nf的电容,滤除72MHz的干扰时钟信号比较合适。5 e6 X$ Z! \, g

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