电容的滤波和退耦，你当真理解？

硬件笔记本

本周开始聊聊电容相关的面试题。其实之前已经发过一篇跟电容相关的文章“用100nf电容给72Mhz时钟信号退耦合适么？”，感兴趣的朋友可以回过去看下。电容，说起来也简单，干过硬件开发的基本都知道电容的作用。但更深层次的逻辑，不晓得你考虑过没。

一道面试题

照例，先抛出来一道面试“芯片的电源引脚通常会放置一颗或几颗电容，有什么用？为什么？” 怎么样？看似很简单的问题，但往往暗藏玄机。
1 R. C: e4 e; d2 A' s
& [" z# U' n' y4 ?5 D* T自我感觉良好的答案

! `. ?* a0 W* {有些小伙伴会觉得：这面试官真Low，居然问这种问题。芯片电源引脚挂电容的作用，这还用问？当然是储能、滤波、退耦！
( c+ M6 P0 c5 W' x* X- f/ p  P! U当然，这个答案没问题，但只能说是浮于表面或者千篇一律。那么你的得分也不会和别人有什么差别。而面试官凭什么要给你pass呢？
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下面我们从几个不同的维度来分析这。

; s4 ^$ K; ?$ r5 n维度1：EMS-提供高频噪声泄放回路

首先，我们从EMS(电磁抗扰度)角度来分析下。
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从上图可以看出，当芯片电源引脚端没有放置电容时，电源的回流路径很长。通常情况下，电源上会携带有高频噪声。这样噪声会轻而易举的进入到芯片工作环路，影响芯片工作。
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5 v  g5 ?0 ^# |+ n/ h. x! \# J

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. h; `. N) y/ q. V" K" B当在芯片电源引脚端放置电容后，由于电容有“通高频，阻低频”特性，电容给高频噪声提供了低阻抗回流路径，使得高频噪声快速返回到GND，减少流入芯片环路的干扰噪声，提升系统的EMS抗扰度性能。
4 K  H& D5 C. f4 o7 W- D$ I7 M
模型仿真-时域频域双管齐下
8 @  Q% Z1 T% ^8 p* F" L8 e
/ w- p5 _, G) B# z/ \可能你觉得只是这么讲，有些不太信服。那么我们通过实验来验证下。还记得上篇文章讲的TINA-TI仿真工具吧，我们就用这个来仿真。
+ F. ^% a8 e# l3 c& }" B7 G

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- a0 Z9 E  V. `# L* S0 ]0 F' D
& u$ b7 s9 Y! E( K* }0 W把我们的电源当做一个激励源VG1，内阻设置为100mΩ。激励源本身可以设置内阻，为了方便观察，单独放置一个R1=100mΩ。PCB板上的layout走线，一般都会有寄生电感。经验值为10nH/cm，我们这里设置L1=20nH，2cm的走线长度不过分吧。芯片端，C1为寄生电容，C1=1nF。R2为输入电阻，通常很大，R2设置为1MΩ。VF1是输出测试点。这样模型就建立起来了。
这里为方便观察，我们把VG1设置为50Hz的方波，直流偏置1V，交流分量1V。进行瞬时仿真，就出现下面的波形。
9 N8 ~, T& H( ]! B

9 e! z/ W( @' r/ ?2 l# S

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7 i" K) t; z( G, @5 b7 P. n- B发现VF1的波形，正负都有很大的过冲！为什么？
8 ]9 l  y0 y* ~7 b时域没想明白，那就转到频域看看。
: j3 ~' c, a1 c7 {. d! L3 _我们用交流分析方式，看下这个模型的幅频特性。通过下图可以看出，在f=35.9MHz处，发生谐振。谐振点增益达到30.72dB。
- Z$ C) f! H3 D1 W$ ~

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1 {8 w- M# h( O/ b- U' W) }0 c
1 _0 c7 N! \! [6 Z! K/ P3 P( v. a而我们知道方波信号在信号的上升边沿包含非常丰富的频率分量，必定含有35.9MHz附近的频率分量。谐振点附近的能量就会被放大很多倍，这样输出端信号存在过冲也不难理解。
下图，展示了时域波形是由多个不同频率的谐波分量合成。这些谐波分量的频率不同，上升沿各不相同。

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0 T! T: T7 z' [9 N) e(图片来自《信号完整性与电源完整性分析(第2版)》)

既然如此，增加了电容会怎样呢？如下图，分别增加4.7uf和0.1uf。
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5 G3 B3 J* e% T: e

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先看下时域效果，如下图，VF1的过冲消失了！
8 S7 a4 D4 {8 u( R
% r* z/ X6 n% K* W6 @( t

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( e' \' ]# A: |6 Q. W% G再看下频域效果，谐振消失！这曲线不就是低通滤波器么！截止频率大概460kHz。   
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: G5 [& B. N  `/ u5 \+ K$ s这正好证实了前面的说法：虽然方波上升沿携带有丰富的高频分量，但是由于低通滤波器的存在，为高频噪声提供了低阻抗泄放路径，使得高频噪声和高次谐波提前泄放到系统GND，减少了流入芯片系统的干扰，干扰噪声得到抑制，提升了系统的EMS性能。
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$ c) y9 {' u4 I( d$ V, K+ |# i维度2：EMI-减小RF环路,降低空间辐射
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接着，我们再从EMI(电磁干扰)角度来分析下。
初中物理的右手螺旋定则，还记得吧。用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。这是百度百科给出的定义。

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  p0 O- h5 a: O6 W) g8 B, @: V; a(图片来自网络：百度百科)

9 k2 R1 V# `! U) o在我们这里又有什么用途呢？我们先看下，芯片引脚端没有放置电容的情况，电流环路很大。

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) W2 F& f# o1 O  k* e! i; I# G- \- b再看下，芯片引脚端放置电容的情况，电流环路明显减小。

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那电流环路大和小有什么区别呢？当然有区别，而且很大。在emc设计中，控制信号环路面试是一个非常重要的点。我们一起看下在自由空间中，环路辐射强度的公式：
7 y/ e& q: _: F% V, {7 ]

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6 u' }( ]% M3 q+ R
, x' b. e0 i6 SE是电场强度，S是环路面积，I是电流，f是频率，D是和环路之间的距离。由此可以看出，环路面积S越大，空间辐射强度E就越大。显然，增加退耦电容后，减小环路面积S，可以降低空间辐射，减少噪声的传播。

维度3：PI-稳定电源电压
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& F1 ^% z0 X- m' I3 \第3个维度，稳定芯片电源电压，提升电源完整性(PI)。这个就不过多解释，很容易理解。

总结

7 i/ {# ?% H3 y2 B. o$ x: b现在3个维度已经分析完，总体来看下。
( p1 m2 ^( Y- L" s0 r维度1：给高频噪声提供交流泄放回路，抑制高频噪声，提升EMS性能。实际就是电容的滤波功能，也可以说是旁路。
. t4 t7 u$ S- s; i7 k' ^4 i6 n/ \维度2：减小RF环路，降低空间辐射，削弱噪声的传播。实际就是电容的退耦功能。
维度3：稳定电源电压，提升电源完整性，实际就是电容的储能功能。
' e, b# Y& L  m' v: }" R! n其实，单纯的说电容的功能很简单，关键是要理解其中的原理，并能够灵活应用。以上所述，部分内容涉及个人理解，如有觉得不妥，欢迎留言讨论。
! h+ h  c; K3 f5 w怎么样？一个简短的问题，给出的回答可浅可深，就看你对这个知识点的理解达到怎样的程度。你学废了么？