所謂退耦，既防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時(shí)，在供電電路中所形成的電流沖動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。換言之，退耦電路能夠有效的消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦合。

　　用在退耦電路中的電容稱為退耦電容也叫去耦電容，退耦電容并接于電路正負(fù)極之間，可防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起的寄生振蕩。所謂退耦，即防止前后電路電流大小變化時(shí)，在供電電路中所形成的電流波動(dòng)對(duì)電路的正常工作產(chǎn)生影響，換言之，退耦電路能夠有效地消除電路之間的寄生耦合。

　　退耦濾波電容的取值通常為47~200μF，退耦壓差越大時(shí)，電容的取值應(yīng)越大。所謂退耦壓差指前后電路網(wǎng)絡(luò)工作電壓之差。

　　什么是退耦？

? ? ? ? ?退耦（Decouple），最早用于多級(jí)電路中，為保證前后級(jí)間傳遞信號(hào)而不互相影響各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的而采取的措施。在電源中退耦表示，當(dāng)芯片內(nèi)部進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作或輸出發(fā)生變化時(shí)，需要瞬時(shí)從電源線上抽取較大電流，該瞬時(shí)的大電流可能導(dǎo)致電源線上電壓的降低，從而引起對(duì)自身和其他器件的干擾。

　　為了減少這種干擾，需要在芯片附近設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)電的“小水池”以提供這種瞬時(shí)的大電流能力。 在電源電路中，旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對(duì)器件本身的干擾（自我保護(hù)）；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對(duì)電源的干擾（家丑不外揚(yáng)）。

　　有人說退耦是針對(duì)低頻、旁路是針對(duì)高頻，我認(rèn)為這樣說是不準(zhǔn)確的，高速芯片內(nèi)部開關(guān)操作可能高達(dá)上GHz，由此引起對(duì)電源線的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍，為此目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。本文以下討論中并不刻意區(qū)分退耦和旁路，認(rèn)為都是為了濾除噪聲，而不管該噪聲的來源。

　　簡(jiǎn)單說明了旁路和退耦之后，我們來看看芯片工作時(shí)是怎樣在電源線上產(chǎn)生干擾的。我們建立一個(gè)簡(jiǎn)單的IO Buffer模型，輸出采用圖騰柱IO驅(qū)動(dòng)電路，由兩個(gè)互補(bǔ)MOS管組成的輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶有串聯(lián)源端匹配電阻的傳輸線（傳輸線阻抗為Z0）。

　　為了做成純文檔的格式，盡量采用文字說明，不不采用圖片，這樣給理解帶來一定的困難，看官們見笑了。設(shè)電源引腳和地引腳的封裝電感和引線電感之和分別為： Lv和Lg。兩個(gè)互補(bǔ)的MOS管（接地的NMOS和接電源的PMOS）簡(jiǎn)單作為開關(guān)使用。

　　假設(shè)初始時(shí)刻傳輸線上各點(diǎn)的電壓和電流均為零，在某一時(shí)刻器件將驅(qū)動(dòng)傳輸線為高電平，這時(shí)候器件就需要從電源管腳吸收電流。在時(shí)間T1，使PMOS管導(dǎo)通，電流從 PCB板上的VCC流入，流經(jīng)封裝電感Lv，跨越PMOS管，串聯(lián)終端電阻，然后流入傳輸線，輸出電流幅度為VCC/（2×Z0）。

　　電流在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個(gè)完整的返回（Round-Trip）時(shí)間，在時(shí)間T2結(jié)束。之后整個(gè)傳輸線處于電荷充滿狀態(tài)，不需要額外流入電流來維持。當(dāng)電流瞬間涌過封裝電感 Lv時(shí)，將在芯片內(nèi)部的電源提供點(diǎn)產(chǎn)生電壓被拉低的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源中被稱之為同步開關(guān)噪聲（SSN，Simultaneous Switching Noise；SSO，Simultaneous Switching Output Noise）或Delta I噪聲。

　　在時(shí)間T3，關(guān)閉PMOS管，這一動(dòng)作不會(huì)導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生，因?yàn)樵诖酥癙MOS管一直處于打開狀態(tài)且沒有電流流過的。同時(shí)打開NMOS管，這時(shí)傳輸線、地平面、封裝電感Lg以及NMOS管形成一回路，有瞬間電流流過開關(guān)B，這樣在芯片內(nèi)部的地結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生參考電平點(diǎn)被抬高的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲（Ground Bounce，我個(gè)人讀著地tan）。

　　實(shí)際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感值，因此上面就IC級(jí)分析的SSN和地彈噪聲在進(jìn)行Board Level分析時(shí)，以同樣的方式存在，而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個(gè)電源分布系統(tǒng)來說（Power Distribute System）來說，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。

　　因?yàn)樾酒敵龅拈_關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作，需要瞬時(shí)的從電源抽取較大的電流，而電源特性來說不能快速響應(yīng)該電流變化，高速開關(guān)電源開關(guān)頻率也僅有MHz量級(jí)。為了保證芯片附近電源線上的電壓不至于因?yàn)镾SN和地彈噪聲降低超過器件手冊(cè)規(guī)定的容限，這就需要在芯片附近為高速電流需求提供一個(gè)儲(chǔ)能電容，這就是我們所要的退耦電容。

　　如果電容是理想的電容，選用越大的電容當(dāng)然越好了，因?yàn)樵酱箅娙菰酱?，瞬時(shí)提供電量的能力越強(qiáng)，由此引起的電源軌道塌陷的值越低，電壓值越穩(wěn)定。但是，實(shí)際的電容并不是理想器件，因?yàn)椴牧?、封裝等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。我們都知道實(shí)際電容的模型簡(jiǎn)單的以電容、電阻和電感建立。除電容的容量C以外，還包括以下寄生參數(shù)：

　　1、等效串聯(lián)電阻ESR（Resr）：電容器的等效串聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有大的交流電流通過電容器，Resr使電容器消耗能量（從而產(chǎn)生損耗），由此電容中常用用損耗因子表示該參數(shù)。

　　2、等效串聯(lián)電感ESL（Lesl）：電容器的等效串聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。

　　3、等效并聯(lián)電阻EPR Rp ：就是我們通常所說的電容器泄漏電阻，在交流耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)應(yīng)用（例如模擬積分器和采樣保持器）以及當(dāng)電容器用于高阻抗電路時(shí)，Rp是一項(xiàng)重要參數(shù)，理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實(shí)際電容器中的Rp使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。 還是兩個(gè)參數(shù)RDA、CDA 也是電容的分布參數(shù)，但在實(shí)際的應(yīng)該中影響比較小，這就省了吧。所以電容重要分布參數(shù)的有三個(gè)：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、 ESL，實(shí)際在分析電容模型的時(shí)候一般只用RLC簡(jiǎn)化模型，即分析電容的C、ESR、ESL。因?yàn)榧纳鷧?shù)的影響，尤其是ESL的影響，實(shí)際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線，低頻時(shí)隨頻率的升高，電容阻抗降低；當(dāng)?shù)阶畹忘c(diǎn)時(shí)，電容阻抗等于ESR；之后隨頻率的升高，阻抗增加，表現(xiàn)出電感特性（歸功于ESL）。因此對(duì)電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值，還需要綜合考慮其他因素。包括： 1、電容容值；2、電介質(zhì)材料；3、電容的幾何尺寸和放置位置。

　　所有考慮的出發(fā)點(diǎn)都是為了降低電源地之間的感抗（滿足電源最大容抗的條件下），在有瞬時(shí)大電流流過電源系統(tǒng)時(shí)，不至于產(chǎn)生大的噪聲干擾芯片的電源地引腳。選用常見的有兩種方法計(jì)算所需的電容： 簡(jiǎn)單方法：由輸出驅(qū)動(dòng)的變化計(jì)算所需退耦電容的大?。?/p>

　　復(fù)雜方法：由電源系統(tǒng)所允許的最大的感抗計(jì)算退耦電容的大小。

　　我們假設(shè)一個(gè)模型，在一個(gè)Vcc＝3.3V的SRAM系統(tǒng)中，有36根輸出數(shù)據(jù)線，單根數(shù)據(jù)線的負(fù)載為Cload＝30pF（相當(dāng)?shù)拇罅耍?，輸出?qū)動(dòng)需要在Tr＝2ns（上升時(shí)間）內(nèi)將負(fù)載從0V驅(qū)動(dòng)到3.3V，該芯片資料里規(guī)定的電源電壓要求是3.3V＋0.3V/-0.165V。

　　可以看出在SRAM的輸出同時(shí)從0V上升到3.3V時(shí)，從電源系統(tǒng)抽取的電流最大，我們選擇此時(shí)計(jì)算所需的退耦電容量。我們采用第一種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，單根數(shù)據(jù)線所需要的電流大小為： I＝Cload×（dV/dt）＝30pF×（3V/2ns）=45mA;

　　36根數(shù)據(jù)線同時(shí)翻轉(zhuǎn)時(shí)的電流大小為Itot＝45mA×36＝1.62A。芯片允許的供電電壓降為0.165V，假設(shè)我們?cè)试S該芯片在電源線上因?yàn)镾SN引入的噪聲為50mV，那么所需要的電容退耦電容為： C＝I×（dt/dV）＝1.62A×（2ns/50mV）=64nF；

　　從標(biāo)準(zhǔn)容值表中選用兩個(gè)34nF的電容進(jìn)行并聯(lián)以完成該值，正如上面提到的退耦電容的選擇在實(shí)際中并不是越大越好，因?yàn)樵酱蟮碾娙菥哂懈蟮姆庋b，而更大的封裝可能引入更大的ESL，ESL的存在會(huì)引起在IC引腳處的電壓抖動(dòng)（Glitching），這個(gè)可以通過V＝L×（di/dt）公式來說明，常見貼片電容的L大約是1.5nH，那么V＝1.5nH×（1.62A/2ns）=1.2V，考慮整個(gè)Bypass回路的等效電感之后，實(shí)際電路中g(shù)litch 會(huì)小于該值。通過前人做的一些仿真的和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，退耦電容上的Glitch與同時(shí)驅(qū)動(dòng)的總線數(shù)量有很大關(guān)系。

　　因?yàn)镋SL在高頻時(shí)覺得了電源線上的電流提供能力，我們采用第二種方法再次計(jì)算所需的退耦電容量。這中方法是從Board Level考慮單板，即從Bypass Loop的總的感抗角度進(jìn)行電容的計(jì)算和選擇，因此更具有現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)然需要考慮的因素也就越多，實(shí)際問題的解決總是這樣，需要一些折中，需要一點(diǎn)妥協(xié)。

　　同樣使用上面的假設(shè)，電源系統(tǒng)的總的感抗最大： Xmax＝（dV/dI）＝0.05/1.62=31m歐；

　　在此，需要說明我們引入的去耦電容是為了去除比電源的去耦電容沒有濾除的更高頻率的噪聲，例如在電路板級(jí)參數(shù)中串聯(lián)電感約為Lserial＝5nH，那么電源的退耦頻率：

　　Fbypass＝Xmax/（2pi×Lserial）＝982KHz，這就是電源本身的濾波頻率，當(dāng)頻率高于此頻率時(shí)，電源電路的退耦電路不起作用，需要引入芯片的退耦電容進(jìn)行濾波。另外引入另外一個(gè)參數(shù)——轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率Fknee，該頻率決定了數(shù)字電路中主要的能量分布，高于該頻率的分量認(rèn)為對(duì)數(shù)字電路的上升沿和下降沿變化沒有貢獻(xiàn)。在High-Speed Digital Design:A Hand Book of Black Magic這本書的第一章就詳細(xì)的討論了該問題，在此不進(jìn)行詳細(xì)說明。只是引入其中推倒的公式： Fknee＝（1/2×Tr）＝250MHz，其中Tr＝2ns；

　　可見Fknee遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fbypass，5nH的串聯(lián)電感肯定是不行了。那么計(jì)算： Ltot＝Xmax/（2pi×Fknee）＝（Xmax×Tr/pi）=19.7pH;

　　如前面提到的常見的貼片電容的串聯(lián)電感在1.5nH左右，所需要的電容個(gè)數(shù)是：

　　N＝（Lserial/Ltot）=76個(gè)，另外當(dāng)頻率降到Fbypass的時(shí)候，也應(yīng)該滿足板級(jí)容抗需要即： Carray=（1/（2pi×Fbypass×Xmax））＝5.23uF； Celement=Carray/N=69nF;

　　哇噻，真不是一個(gè)小數(shù)目啊，這么多??！如果單板上還有其他器件同時(shí)動(dòng)作，那么需要更多的電容呢！如果布不下，只能選擇其他具有更小電感值的電容了。

　　電容選擇上都采用的MLCC的電容進(jìn)行退耦，常見的MLCC的電容因?yàn)榻橘|(zhì)的不同可以進(jìn)行不同的分類，可以分成NPO的第一類介質(zhì)，X7R和Z5V等的第二、三類介質(zhì)。EIA對(duì)第二、三類介質(zhì)使用三個(gè)字母，按照電容值和溫度之間關(guān)系詳細(xì)分類為： 第一個(gè)數(shù)字表示下限類別溫度： X：－55度；Y：－30度；Z：＋10度 第二個(gè)數(shù)字表示上限溫度：

　　4：＋65度；5：＋85度；6：105度；7：125度；8：150度； 第三個(gè)數(shù)字表示25度容量誤差：

　　P：＋10％/-10％；R：＋15％/-15％；S：＋22％/-22％； T：＋22％/-33％；U：＋22％/-56％；V：＋22％/-82％

　　例如我們常見的Z5V，表示工作溫度是10度～85度，標(biāo)稱容量偏差＋22％/-82％，就這玩意兒我們還大用特用啊。

　　介質(zhì)性能好的電容容量做不大，容量大的介質(zhì)常量不好，生活啊，你怎么總是這么矛盾?。∮绕渲匾囊稽c(diǎn)是MLCC電容提供的電容值都是指靜電容量，表示電容在很低的電壓下測(cè)試得到的電容量，當(dāng)電容的兩端的直流電壓在不超過電容耐壓下加大時(shí)電容量將急劇下降，例如在某耐壓16V 的MLCC電容的測(cè)試數(shù)據(jù)中有：

　　0V－－》100%，8V——》86%，12V——》68%，16V——55％。