通孔和平面
在本文中,我们将探讨与通孔和平面层配置有关的去耦电容电感问题。但是,在进行讨论之前,我们需要明确以下几点:随着我们进一步进入高速去耦领域,我们越来越关注平面连接,直到最终似乎很大程度上忽略了走线。以下注意事项将有助于将这种现象与背景联系起来:
高电感
与依赖过孔和平面层的连接相比,走线的电感太大。
平面电容
随着工作频率的增加,去耦电容与平面的相互作用方式似乎已成为主要因素。这里的科学开始变得复杂,我了解细节的能力有限,甚至无法解释这些细节。我在本文中发现的一个有趣而直接的陈述表明,在某些情况下,去耦电容器本身受电感的阻碍很大,无法真正向IC提供电流。而是,平面电容提供了瞬态去耦电流,而电容器的工作是为平面充电。
拥挤的布局
高速数字系统通常涉及复杂且受空间限制的布局,这些布局将大部分PCB面积专用于组件。几乎没有走线的空间,因此,电路板设计人员很乐意尽可能地使用过孔。
分布式电容与离散电容
如果在某些高速数字设计中,平面电容是去耦电荷的真正来源,那么电容器真的需要“尽可能靠近引脚”吗?位置是否重要?质疑适当去耦的基本原理之一的有效性似乎令人震惊,但这正是Hubing等人的观点。在这篇研究论文中做过。用另一篇论文的作者的话来说,Hubing等。他声称,在某些情况下,电容器的位置“不重要”,尽管他们的结论可能“超出了研究的有效性范围”。无论如何,这是电容器与平面层之间相互作用的重要性的另一个例子,平面层用作板上的各处都存在的“分布电容”。
最小化电感
去耦电容器的总电感取决于由电容器,通孔和平面形成的电流环路的面积。
如您所见,环路面积受两个通孔之间的距离以及电容器与平面层之间距离的影响。因此,如果目标是提高去耦性能,则到平面的距离和通孔间隔是必须解决的关键因素。
到飞机的距离
如果要设计典型的四层板,则无法做很多事情来缩短与平面的距离-去耦帽将始终靠近一个平面层,而又远离另一个平面层。
但是,如果电路板具有四层以上,则可以在优化去耦电容相对于电源和接地层的位置方面具有一定的灵活性。此外,这是一个指出的好时机,如果不将电源平面和接地平面放置在相邻层上,则会损失很多分布电容。在我看来,高速数字设计将从以下配置中受益匪浅:
在两个组件层之一上放置尽可能多的高速IC(假设它是顶层)。
排列电源平面和接地平面,使它们靠近并更靠近顶层。
将所有去耦帽放在顶层上,以使它们与平面短接。
通过分离
减少通孔分离的第一种方法是使用较小的去耦电容。在板上,我使用0603封装,因为我经常手工组装它们。如果使用机器组装电路板,那么0402是更好的选择。
现在,使电感最小化是选择最佳通孔配置的问题:
请注意,这里我们主要关心两个通孔之间的距离。因此,尽管“体面”配置使用较短的走线将电容器端子连接至过孔,但第三个图被标记为“良好”,第二个图被标记为“体面”。
结语:
我认为很明显,最小化环路面积是减小电感并因此改善高频性能的关键,但是我不确定在某些情况下(在某些情况下)在整个电路板上随机分布去耦电容器的可能性。