尖峰電流的形成

在數(shù)字電路中，數(shù)字電路輸出高電平時(shí)從電源拉出的電流 Ioh 和低電平輸出時(shí)灌入的電流 Iol 大小通常不同，一般 Iol＞Ioh。以 TTL 與非門為例，輸出電壓如右圖（a）所示，理論上電源電流的波形如右圖（b），而實(shí)際的電源電流波形如右圖（c）。從圖（c）可以明顯看出，在輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平時(shí)，電源電流會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫且幅度很大的尖峰。尖峰電源電流的波形會(huì)因所用器件的類型和輸出端所接的電容負(fù)載不同而有所差異。

產(chǎn)生尖峰電流主要有兩個(gè)原因。其一，輸出級(jí)的 T3、T4 管在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通。在與非門由輸出低電平轉(zhuǎn)向高電平的過程中，輸入電壓的負(fù)跳變?cè)?T2 和 T3 的基極回路內(nèi)產(chǎn)生很大的反向驅(qū)動(dòng)電流。由于 T3 的飽和深度設(shè)計(jì)得比 T2 大，反向驅(qū)動(dòng)電流將使 T2 首先脫離飽和而截止。T2 截止后，其集電極電位上升，使 T4 導(dǎo)通。然而此時(shí) T3 還未脫離飽和，因此在極短的時(shí)間內(nèi) T3 和 T4 將同時(shí)導(dǎo)通，從而產(chǎn)生很大的 ic4，使電源電流形成尖峰電流。圖中的 R4 正是為了限制此尖峰電流而設(shè)計(jì)。低功耗型 TTL 門電路中的 R4 較大，因此其尖峰電流較小。當(dāng)輸入電壓由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，與非門輸出電平由高變低，這時(shí) T3、T4 也可能同時(shí)導(dǎo)通。但當(dāng) T3 開始進(jìn)入導(dǎo)通時(shí)，T4 處于放大狀態(tài)，兩管的集 - 射間電壓較大，故所產(chǎn)生的尖峰電流較小，對(duì)電源電流產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。其二，負(fù)載電容的影響也是產(chǎn)生尖峰電流的一個(gè)重要因素。與非門輸出端實(shí)際上存在負(fù)載電容 CL，當(dāng)門的輸出由低轉(zhuǎn)換到高時(shí)，電源電壓由 T4 對(duì)電容 CL 充電，因此形成尖峰電流。當(dāng)與非門的輸出由高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí)，電容 CL 通過 T3 放電。此時(shí)放電電流不通過電源，故 CL 的放電電流對(duì)電源電流無影響。

尖峰電流的抑制方法

為了確保芯片的穩(wěn)定運(yùn)行，抑制尖峰電流是必不可少的。常見的抑制方法有以下幾種。首先，在電路板布線上采取措施，使信號(hào)線的雜散電容降到。合理的布線可以減少信號(hào)之間的干擾，降低雜散電容對(duì)電路的影響。其次，設(shè)法降低供電電源的內(nèi)阻，使尖峰電流不至于引起過大的電源電壓波動(dòng)。穩(wěn)定的電源電壓對(duì)于芯片的正常工作至關(guān)重要。通常的作法是使用去耦電容來濾波，一般是在電路板的電源入口處放一個(gè) 1uF - 10uF 的去耦電容，用于濾除低頻噪聲；在電路板內(nèi)的每一個(gè)有源器件的電源和地之間放置一個(gè) 0.01uF - 0.1uF 的去耦電容（高頻濾波電容），用于濾除高頻噪聲。需要注意的是，濾波的目的是要濾除疊加在電源上的交流干擾，但并不是使用的電容容量越大越好。因?yàn)閷?shí)際的電容并不是理想電容，不具備理想電容的所有特性。去耦電容的選取可按 C = 1/F 計(jì)算，其中 F 為電路頻率，即 10MHz 取 0.1uF，100MHz 取 0.01uF。一般取 0.1 - 0.01uF 均可。

實(shí)際電容的特性

實(shí)際的電容由于存在寄生參數(shù)，可等效為串聯(lián)在電容上的電阻和電感，將其稱為等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。這樣，實(shí)際的電容就是一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其諧振頻率為特定值。實(shí)際的電容在低于 Fr 的頻率呈現(xiàn)容性，而在高于 Fr 的頻率上則呈現(xiàn)感性，所以電容更象是一個(gè)帶阻濾波器。例如，10uF 的電解電容由于其 ESL 較大，F(xiàn)r 小于 1MHz，對(duì)于 50Hz 這樣的低頻噪聲有較好的濾波效果，對(duì)上百兆的高頻開關(guān)噪聲則沒有什么作用。電容的 ESR 和 ESL 是由電容的結(jié)構(gòu)和所用的介質(zhì)決定的，而不是電容量。通過使用更大容量的電容并不能提高抑制高頻干擾的能力，同類型的電容，在低于 Fr 的頻率下，大容量的比小容量的阻抗小，但如果頻率高于 Fr，ESL 決定了兩者的阻抗不會(huì)有什么區(qū)別。此外，電路板上使用過多的大容量電容對(duì)于濾除高頻干擾并沒有什么幫助，特別是使用高頻開關(guān)電源供電時(shí)。同時(shí)，大容量電容過多，增加了上電及熱插拔電路板時(shí)對(duì)電源的沖擊，容易引起如電源電壓下跌、電路板接插件打火、電路板內(nèi)電壓上升慢等問題。

PCB 布局時(shí)去耦電容擺放

在 PCB 布局時(shí)，去耦電容的擺放位置至關(guān)重要。對(duì)于電容的安裝，首先要考慮安裝距離。容值的電容，有的諧振頻率，去耦半徑，因此放在靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠(yuǎn)，外層放置容值的。但是，所有對(duì)該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。下面的圖 1 就是一個(gè)擺放位置的例子。本例中的電容等級(jí)大致遵循 10 倍等級(jí)關(guān)系。還有一點(diǎn)要注意，在放置時(shí)，均勻分布在芯片的四周，對(duì)每一個(gè)容值等級(jí)都要這樣。通常芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的四個(gè)邊上的。因此，電壓擾動(dòng)在芯片的四周都存在，去耦也必須對(duì)整個(gè)芯片所在區(qū)域均勻去耦。如果把圖中的 680pF 電容都放在芯片的上部，由于存在去耦半徑問題，那么就不能對(duì)芯片下部的電壓擾動(dòng)很好的去耦。

電容的安裝

在安裝電容時(shí)，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也是同樣。這樣流經(jīng)電容的電流回路為：電源平面 -> 過孔 -> 引出線 -> 焊盤 -> 電容 -> 焊盤 -> 引出線 -> 過孔 -> 地平面。不同的安裝方法會(huì)產(chǎn)生不同的寄生電感。

種方法從焊盤引出很長(zhǎng)的引出線然后連接過孔，這會(huì)引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做，這是糟糕的安裝方式。第二種方法在焊盤的兩個(gè)端點(diǎn)緊鄰焊盤打孔，比種方法回路面積小得多，寄生電感也較小，可以接受。第三種在焊盤側(cè)面打孔，進(jìn)一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的方法。第四種在焊盤兩側(cè)都打孔，和第三種方法相比，相當(dāng)于電容每一端都是通過過孔的并聯(lián)接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量用這種方法。一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感，但是焊接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問題，是否使用要看加工能力和方式。推薦使用第三種和第四種方法。需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：有些工程師為了節(jié)省空間，有時(shí)讓多個(gè)電容使用公共過孔，任何情況下都不要這樣做。想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計(jì)，減少電容數(shù)量。由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤寬度相同。這樣即使是 0402 封裝的電容，也可以使用 20mil 寬的引出線。引出線和過孔安裝如圖 4 所示，注意圖中的各種尺寸。