29今日电子 · 2011年5月
专题特写:模拟 / 混合信号 IC Features
为什么选择旁路电容很重要
ADI公司 Glenn Morita
设计人员在选择旁路电容,以
及电容用于滤波器、积分器、时序电
路和实际电容值非常重要的其他应用
时,都必须考虑这些因素。若选择不
当,则可能导致电路不稳定、噪声和
功耗过大、产品生命周期缩短,以及
产生不可预测的电路行为。
电容技术
电容具有各种尺寸、额定电压和
其他特性,能够满足不同应用的具体
要求。常用电介质材料包括油、纸、
玻璃、空气、云母、聚合物薄膜和金
属氧化物。每种电介质均具有特定属
性,决定其是否适合特定的应用。
在电压调节器中,以下三大类
电容通常用作电压输入和输出旁路电
容:多层陶瓷电容、固态钽电解电容
和铝电解电容。
多层陶瓷电容
多层陶瓷电容(MLCC)不仅尺寸
小,而且将低ESR、低ESL和宽工作
温度范围特性融于一体,可以说是旁
路电容的首选。不过,这类电容也并
非完美无缺。根据电介质材料不同,
电容值会随着温度、直流偏置和交流
信号电压动态变化。另外,电介质材
料的压电特性可将振动或机械冲击转
换为交流噪声电压。大多数情况下,
此类噪声往往以微伏计,但在极端情
况下,机械力可以产生毫伏级噪声。
电压控制振荡器(VCO)、锁相环
(PLL)、RF功率放大器(PA)和其他模拟
电路都对供电轨上的噪声非常敏感。在
VCO和PLL中,此类噪声
表
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现为相位噪
声;在RF PA中,表现为幅度调制;
而在超声、CT扫描以及处理低电平模
拟信号的其他应用中,则表现为显示伪
像。尽管陶瓷电容存在上述缺陷,但由
于尺寸小且成本低,因此几乎在每种电
子器件中都会用到。不过,当调节器用
在噪声敏感的应用中时,设计人员必须
仔细评估这些副作用。
固态钽电解电容
与陶瓷电容相比,固态钽电容对
温度、偏置和振动效应的敏感度相对
较低。新兴一种固态钽电容采用导电聚
合物电解质,而非常见的二氧化锰电解
质,其浪涌电流能力有所提高,而且无
须电流限制电阻。此项技术的另一好处
是ESR更低。固态钽电容的电容值可以
相对于温度和偏置电压保持稳定,因此
选择
标准
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仅包括容差、工作温度范围内
的降压情况以及最大ESR。
导电聚合物钽电容具有低ESR特
性,成本高于陶瓷电容而且体积也略
大,但对于不能忍受压电效应噪声的
应用而言可能是唯一选择。不过,钽
电容的漏电流要远远大于等值陶瓷电
容,因此不适合一些低电流应用。
固态聚合物电解质技术的缺点是
此类钽电容对无铅焊接过程中的高温
更为敏感,因此制造商通常会
规定
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电
容在焊接时不得超过3个焊接周期。组
装过程中若忽视此项要求,则可能导
致长期稳定性问题。
铝电解电容
传统的铝电解电容往往体积较
大、E S R和E S L较高、漏电流相对
较高且使用寿命有限(以数千小时
计)。而OS-CON电容则采用有机半
导体电解质和铝箔阴极,以实现较低
的ESR。这类电容虽然与固态聚合物
钽电容相关,但实际上要比钽电容早
10年或更久。由于不存在液态电解质
逐渐变干的问题,OS-CON型电容的
使用寿命要比传统的铝电解电容长。
大多数电容的工作温度上限为105℃,
但现在OS-CON型电容可以在最高
125℃的温度范围内工作。
虽然OS-CON型电容的性能要优
于传统的铝电解电容,但是与陶瓷电
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专题特写:模拟 / 混合信号 IC Features
容或固态聚合物钽电容相比,往往体
积更大且ESR更高。与固态聚合物钽
电容一样,这类电容不受压电效应影
响,因此适合低噪声应用。
为LDO电路选择电容
1 输出电容
低压差调节器(LDO)可以与节省空
间的小型陶瓷电容配合使用,但前提是
这些电容具有低等效串联电阻(ESR);
输出电容的ESR会影响LDO控制环路的
稳定性。为确保稳定性,建议采用至少
1μF且ESR最大为1Ω的电容。
输出电容还会影响调节器对负载
电流变化的响应。控制环路的大信号
带宽有限,因此输出电容必须提供快
速瞬变所需的大多数负载电流。当负
载电流以500mA/μs的速率从1mA变
为200mA时,1μF电容无法提供足够
的电流,因而产生大约80mV的负载瞬
态,如图1所示。当电容增加到10μF
时,负载瞬态会降至约70mV,如图
2所示。当输出电容再次增加并达到
20μF时,调节器控制环路可进行跟
踪,主动降低负载瞬态,如图3所示。
这些示例都采用线性调节器ADP151,
其输入和输出电压分别为5V和3.3V。
2 输入旁路电容
在VIN和GND之间连接一个1μF
电容可以降低电路对PCB布局的敏感
性,特别是在长输入走线或高信号源
阻抗的情况下。如果输出端上要求使
用1μF以上的电容,则应增加输入电
容,使之与输出电容匹配。
3 输入和输出电容特性
输入和输出电容必须满足预期
工作温度和工作电压下的最小电容要
求。陶瓷电容可采用各种各样的电介
质制造,温度和电压不同,其特性也
不相同。对于5V应用,建议采用电压
额定值为6.3~10V的X5R或X7R电介
质。Y5V和Z5U电介质的温度和直流
偏置特性不佳,因此不适合与LDO一
起使用。
图4所示为采用0402封装的1μF、
10V X5R电容与偏置电压之间的关系。
电容的封装尺寸和电压额定值对其电压
稳定性影响极大。一般而言,封装尺寸
越大或电压额定值越高,电压稳定性
也就越好。X5R电介质的温度变化率在
-40~+85℃温度范围内为±15%,与封
装或电压额定值没有函数关系。
要确定温度、元件容差和电压范围
内的最差情况下电容,可用温度变化率
和容差来调整标称电容,见公式1。
CEFF=C BIAS×(1-TVAR)×(1-
TOL) (1)
其中,CBIAS是工作电压下的标
称电容;TVAR是温度范围内最差情况
下的电容变化率(百分率);TOL是最
差情况下的元件容差(百分率)。
本例中,X5R电介质在�40~
+85℃范围内的TVAR为15%;TOL为
10%;CBIAS在1.8 V时为0.94μF,
如图4所示。将这些值代入公式1,即
可得出:
C EFF=0.94μF×(1-0.15)×(1-
0.1)=0.719μF
在工作电压和温度范围内,
ADP151的最小输出旁路电容额定值为
0.70μF,因而此电容符合该项要求。
图1 瞬态响应(COUT=1μF)
图2 瞬态响应(COUT=10μF)
图3 瞬态响应(COUT=20μF)
图4 电容与电压的特性关系