本周開始聊聊電容相關(guān)的面試題。其實(shí)之前已經(jīng)發(fā)過一篇跟電容相關(guān)的文章“用100nf電容給72Mhz時(shí)鐘信號(hào)退耦合適么？”，感興趣的朋友可以回過去看下。電容，說起來也簡單，干過硬件開發(fā)的基本都知道電容的作用。但更深層次的邏輯，不曉得你考慮過沒。

一道面試題

照例，先拋出來一道面試“芯片的電源引腳通常會(huì)放置一顆或幾顆電容，有什么用？為什么？” 怎么樣？看似很簡單的問題，但往往暗藏玄機(jī)。

自我感覺良好的答案

有些小伙伴會(huì)覺得：這面試官真Low，居然問這種問題。芯片電源引腳掛電容的作用，這還用問？當(dāng)然是儲(chǔ)能、濾波、退耦！

當(dāng)然，這個(gè)答案沒問題，但只能說是浮于表面或者千篇一律。那么你的得分也不會(huì)和別人有什么差別。而面試官憑什么要給你pass呢？

下面我們從幾個(gè)不同的維度來分析這。

維度1：EMS-提供高頻噪聲泄放回路

首先，我們從EMS(電磁抗擾度)角度來分析下。

從上圖可以看出，當(dāng)芯片電源引腳端沒有放置電容時(shí)，電源的回流路徑很長。通常情況下，電源上會(huì)攜帶有高頻噪聲。這樣噪聲會(huì)輕而易舉的進(jìn)入到芯片工作環(huán)路，影響芯片工作。

當(dāng)在芯片電源引腳端放置電容后，由于電容有“通高頻，阻低頻”特性，電容給高頻噪聲提供了低阻抗回流路徑，使得高頻噪聲快速返回到GND，減少流入芯片環(huán)路的干擾噪聲，提升系統(tǒng)的EMS抗擾度性能。

模型仿真-時(shí)域頻域雙管齊下

可能你覺得只是這么講，有些不太信服。那么我們通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證下。還記得上篇文章講的TINA-TI仿真工具吧，我們就用這個(gè)來仿真。

把我們的電源當(dāng)做一個(gè)激勵(lì)源VG1，內(nèi)阻設(shè)置為100mΩ。激勵(lì)源本身可以設(shè)置內(nèi)阻，為了方便觀察，單獨(dú)放置一個(gè)R1=100mΩ。PCB板上的Layout走線，一般都會(huì)有寄生電感。經(jīng)驗(yàn)值為10nH/cm，我們這里設(shè)置L1=20nH，2cm的走線長度不過分吧。芯片端，C1為寄生電容，C1=1nF。R2為輸入電阻，通常很大，R2設(shè)置為1MΩ。VF1是輸出測試點(diǎn)。這樣模型就建立起來了。

這里為方便觀察，我們把VG1設(shè)置為50Hz的方波，直流偏置1V，交流分量1V。進(jìn)行瞬時(shí)仿真，就出現(xiàn)下面的波形。

發(fā)現(xiàn)VF1的波形，正負(fù)都有很大的過沖！為什么？

時(shí)域沒想明白，那就轉(zhuǎn)到頻域看看。

我們用交流分析方式，看下這個(gè)模型的幅頻特性。通過下圖可以看出，在f=35.9MHz處，發(fā)生諧振。諧振點(diǎn)增益達(dá)到30.72dB。

而我們知道方波信號(hào)在信號(hào)的上升邊沿包含非常豐富的頻率分量，必定含有35.9MHz附近的頻率分量。諧振點(diǎn)附近的能量就會(huì)被放大很多倍，這樣輸出端信號(hào)存在過沖也不難理解。

下圖，展示了時(shí)域波形是由多個(gè)不同頻率的諧波分量合成。這些諧波分量的頻率不同，上升沿各不相同。

(圖片來自《信號(hào)完整性與電源完整性分析(第2版)》)

既然如此，增加了電容會(huì)怎樣呢？如下圖，分別增加4.7uf和0.1uf。

先看下時(shí)域效果，如下圖，VF1的過沖消失了！

再看下頻域效果，諧振消失！這曲線不就是低通濾波器么！截止頻率大概460kHz。? ??

這正好證實(shí)了前面的說法：雖然方波上升沿?cái)y帶有豐富的高頻分量，但是由于低通濾波器的存在，為高頻噪聲提供了低阻抗泄放路徑，使得高頻噪聲和高次諧波提前泄放到系統(tǒng)GND，減少了流入芯片系統(tǒng)的干擾，干擾噪聲得到抑制，提升了系統(tǒng)的EMS性能。

維度2：EMI-減小RF環(huán)路,降低空間輻射

接著，我們再從EMI(電磁干擾)角度來分析下。

初中物理的右手螺旋定則，還記得吧。用右手握住通電螺線管，讓四指指向電流的方向，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。這是百度百科給出的定義。

(圖片來自網(wǎng)絡(luò)：百度百科)

在我們這里又有什么用途呢？我們先看下，芯片引腳端沒有放置電容的情況，電流環(huán)路很大。

再看下，芯片引腳端放置電容的情況，電流環(huán)路明顯減小。

那電流環(huán)路大和小有什么區(qū)別呢？當(dāng)然有區(qū)別，而且很大。在EMC設(shè)計(jì)中，控制信號(hào)環(huán)路面試是一個(gè)非常重要的點(diǎn)。我們一起看下在自由空間中，環(huán)路輻射強(qiáng)度的公式：

E是電場強(qiáng)度，S是環(huán)路面積，I是電流，f是頻率，D是和環(huán)路之間的距離。由此可以看出，環(huán)路面積S越大，空間輻射強(qiáng)度E就越大。顯然，增加退耦電容后，減小環(huán)路面積S，可以降低空間輻射，減少噪聲的傳播。

維度3：PI-穩(wěn)定電源電壓

第3個(gè)維度，穩(wěn)定芯片電源電壓，提升電源完整性(PI)。這個(gè)就不過多解釋，很容易理解。

總結(jié)

現(xiàn)在3個(gè)維度已經(jīng)分析完，總體來看下。

維度1：給高頻噪聲提供交流泄放回路，抑制高頻噪聲，提升EMS性能。實(shí)際就是電容的濾波功能，也可以說是旁路。

維度2：減小RF環(huán)路，降低空間輻射，削弱噪聲的傳播。實(shí)際就是電容的退耦功能。

維度3：穩(wěn)定電源電壓，提升電源完整性，實(shí)際就是電容的儲(chǔ)能功能。

其實(shí)，單純的說電容的功能很簡單，關(guān)鍵是要理解其中的原理，并能夠靈活應(yīng)用。以上所述，部分內(nèi)容涉及個(gè)人理解，如有覺得不妥，歡迎留言討論。

怎么樣？一個(gè)簡短的問題，給出的回答可淺可深，就看你對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解達(dá)到怎樣的程度。你學(xué)廢了么？

編輯：黃飛

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