理解尖峰电流与pcb布局时的去耦电容的关系（理解尖峰电流与pcb布局时的去耦电容有何关系）

尖峰电流的形成：

数字电路输出高电平时从电源拉出的电流Ioh与数字电路输出低电平时灌入的电流Iol一般大小不同，即：Iol>Ioh。下图中的TTL与非门为例，说明峰值电流的形成：

输出电压如右图(a)，理论电源电流波形如右图(b)，实际电源电流熔断如上图对（c）。从图（c）可以看出，输出从低电平跳变到高电平时，电源电流有一个短暂但较大的峰值。峰值电源电流的波形根据所使用的设备类型和连接到输出的电容负载而变化。

产生峰值电流的主要原因有：

输出级的T3和T4管设计为同时导通。在与非门从输出低电平到高电平的切换过程中，输入电压的负跳变在T2和T3的基极电路中产生很大的反向驱动电流。由于T3的饱和深度设计得比T2的饱和深度大，如果反向驱动电流很大，T2会首先脱离饱和而截止。 T2关断后，其集电极电位升高，导致T4导通。但此时T3还没有走出饱和，所以T3和T4会在很短的设计内同时导通，从而产生很大的ic4，使电源电流形成峰值电流。图中的R4就是为了限制这个峰值电流而设计的。

小功耗TTL门中的R4较大，因此其峰值电流较小。当输入电压由低电平变为高电平时，与非门输出电平由高电平变为低电平。此时，T3和T4也可能同时导通。但当T3开始导通时，T4处于放大状态，两管的集电极-发射极电压较大，因此产生的峰值电流较小，对电源电流的影响也较小。

峰值电流的另一个原因是负载电容的影响。与非门的输出端实际上有一个负载电容CL。当栅极输出由低电平转变为高电平时，电源电压从T4对电容CL充电，从而形成峰值电流。

当与非门的输出从高电平转变为低电平时，电容器CL通过T3放电。此时，放电电流不经过电源，因此CL的放电电流对电源电流没有影响。

抑制峰值电流的方法：

1、在电路板布线上采取措施，尽量减少信号线的杂散电容；

2、另一种方法是尽量降低电源内阻，使峰值电流不致引起电源电压波动过大；

3、通常的做法是使用去耦电容进行滤波。一般在电路板电源入口处放置1uF~10uF的去耦电容，滤除低频噪声；电路板中各有源器件的电源与地之间放置0.01uF~0.1uF的去耦电容（高频滤波电容），滤除高频噪声。滤波的目的是滤除叠加在电源上的交流干扰，但使用的电容越大越好，因为实际的电容器不是理想电容器，不具备理想电容器的所有特性。

去耦电容的选择可按C=1/F计算，其中F为电路频率，即10MHz为0.1uF，100MHz为0.01uF。一般取0.1~0.01uF即可。

放置在有源器件旁边的高频滤波电容有两个作用。一是滤除沿电源传输的高频干扰，二是及时补充设备高速运行时所需的峰值电流。因此，需要考虑电容器的放置位置。

由于寄生参数的存在，实际电容器可以等效为电容器上串联的电阻和电感，称为等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。这样，实际的电容器就是一个串联谐振电路，其谐振频率为：

实际电容器在低于Fr 的频率下呈电容性，在高于Fr 的频率下呈电感性，因此该电容器更像是带阻滤波器。

10uF电解电容由于ESL较大，Fr小于1MHz，对50Hz等低频噪声有良好的滤波效果，但对数百兆赫兹的高频开关噪声没有影响。

电容器的ESR 和ESL 由电容器的结构和所使用的电介质决定，而不是由电容决定。使用更大容量的电容器无法提高抑制高频干扰的能力。对于同一类型的电容器，在频率低于Fr时，大容量电容器的阻抗小于小容量电容器的阻抗。然而，如果频率高于Fr，则ESL决定两者之间的阻抗不会有差异。

电路板上使用过多的大容量电容对于滤除高频干扰没有帮助，特别是在使用高频开关电源时。还有一个问题是，过多的大容量电容增加了开机和热插拔电路板时对电源的冲击，很容易造成电源电压下降、电路板连接器打火、内部电压上升缓慢等问题。电路板。

PCB 布局期间去耦电容器的放置

对于电容器的安装，首先要提到的是安装距离。电容最小的电容器具有最高的谐振频率和最小的去耦半径，因此它被放置在最靠近芯片的位置。电容值稍大的可以放远一点，电容值最大的放在最外层。然而，所有用于芯片去耦的电容器都应尽可能靠近芯片放置。

下图1 是放置示例。本例中的电容额定值大致遵循10 倍额定值关系。

另外需要注意的是，放置时最好将它们均匀分布在芯片周围，并且对每个电容级别都这样做。通常在设计芯片时会考虑电源和接地引脚的排列，它们通常均匀分布在芯片的四个侧面。因此，芯片周围存在电压干扰，并且整个芯片区域的去耦必须是均匀的。如果将上图中的680pF电容全部放在芯片上部，由于去耦半径问题，无法很好地去耦芯片下部的电压扰动。

电容器安装

安装电容时，从焊盘上拔出一小段引线，然后通过过孔连接到电源层，接地端也是如此。这样，流经电容的电流环路为：电源层-过孔-引线-焊盘-电容-焊盘-引线-过孔-地平面。图2直观地显示了电流的返回路径。

第一种方法从焊盘引出一条长引出线，然后连接过孔。这将引入大的寄生电感。必须避免这种情况。这是最糟糕的安装方式。

第二种方法是在紧邻焊盘的焊盘两个端点处钻孔。路径面积比第一种方法小很多，寄生电感也小，可以接受。

第三种方法是在焊盘侧面钻孔，进一步减小环路面积，寄生电感比第二种方法更小，是一种更好的方法。

第四种方法是在焊盘两侧钻孔。与第三种方法相比，相当于将电容器的每一端通过过孔并联到电源层和接地层。寄生电感比第三种方法要小，只要空间允许，尽量使用这种方法。最后一种方法是直接在焊盘上钻孔，这种方式寄生电感最小，但焊接可能会出现问题。是否使用取决于处理能力和方法。

需要强调的一件事：为了节省空间，一些工程师有时会让多个电容器使用公共过孔。任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容器组合的设计，减少电容器的数量。

由于印制线越宽，电感越小，因此从焊盘到过孔的引出线应尽可能宽，如果可能的话尽量使其与焊盘宽度相同。这样，即使是0402封装的电容器，也可以使用20mil宽的引线。引出线和过孔安装如图4所示。注意图中的各个尺寸。