理解去耦電容的頻率響應
1 分鐘
去耦電容就像 IC 電源接腳上的迷你「避震器」或本地儲水池。它們用來隔離直流電源中的高頻交流雜訊,並在暫態時提供即時電流。當發生暫態切換時,電壓瞬間下降導致電流不足,而這段缺口必須由遠離 IC 的電源來補充;但 IC 與電源之間的電阻路徑會讓頻率響應變差,因此要把去耦電容盡量靠近 IC 擺放。
簡單來說,它們為快速突波提供一條低阻抗的接地路徑,在晶片突然需要電流時穩住電壓。把它們想像成微型電池,直接在微控制器或 FPGA 的門口供電,而不是大老遠從電源輸入端拉電流過來。
|Z| 對頻率圖告訴我們什麼:
從這些課程可知,目標是在整個頻段內獲得平滑的低阻抗曲線。阻抗對頻率圖就是工程師的地圖:波谷(|Z| 低處)代表去耦有效,波峰則是麻煩點。波谷來自電容極點,頻率升高後,電路的零點因寄生電感而開始作用。
去耦電容的諧振峰:
諧振頻率公式為 ω₀ = 1/√(L·C)。低於 f₀ 時電容能有效把雜訊短路到地;高於 f₀ 後,其寄生電感(ESL)使它呈現電感特性,阻抗再次上升。實際上每顆電容都有 ESR(等效串聯電阻)與 ESL。從頻率角度看,去耦電容理想上在高頻短路、直流開路。低於自諧頻時它「看起來」是純電容,阻抗為 1/(ωC);高於該頻率則因引線電感而變成電感性,阻抗隨 ω 上升。
受 ESL 與 ESR 影響,|Z| 隨頻率的曲線會先以約 20 dB/decade 下降(電容區),到 ESR 決定的最低點後再上升(電感區)。簡言之,最低阻抗由 ESR 決定,高頻段上升則由 ESL 主導。因此設計者會選低 ESR 電容來壓低阻抗地板,但過低的 ESR 可能產生高 Q 值的尖銳諧振峰。
實務去耦指南:
通常需要並聯多種容值。大電容(電解、鉭或聚合物,如 10–100 µF)提供低頻暫態電荷池,小陶瓷電容(如 0.1 µF 或 0.01 µF)則負責極快雜訊。
例如建議在電源進板處放一顆 ~10 µF 的 bulk 電容,每顆 IC 旁再放本地去耦(~0.1–1 µF)。整體路徑上因本地與進板電容之間的電阻,總 ESR 會略為提高,使阻抗曲線在某段頻率內呈現平坦。降低 C 或 L 可提高自諧頻,因此使用小型多層 SMD 電容並縮短走線/過孔電感,能把 f₀ 推高並拓寬有效頻段。
去耦電容的佈線守則:
所有去耦電容應以極短走線或過孔直接接到低阻抗接地平面。知道為什麼嗎?因為低阻抗回流路徑能讓電流更快吸放,完全不會出現電感行為。銅箔迴圈越近越寬,ESL 就越低。例如把 0.1 µF 電容直接跨在 IC 的電源與接地腳(引線長度最小),效果遠勝拉長線到遠方電容。常見做法是多過孔並聯進一步降低電感,甚至有建議把電容 ESR 與 IC 阻抗匹配。
並聯多顆電容強化去耦:
多顆並聯不像電阻那樣簡單相加,其諧振會互相影響。常見策略是例如四顆 0.1 µF 並一顆 10 µF:10 µF 的自諧頻可能在數百 kHz,每顆 0.1 µF 則在數十 MHz,並聯後可產生兩個以上阻抗低點,把有效去耦頻段拉寬。若低於最低阻抗的峰值沒問題,但實務上也可能出現高達 150 Ω 的不希望阻抗峰;換句話說,重疊的低阻抗帶可能留下空窗。當一顆電容的電感與另一顆的電容共振,加上毫歐級 ESR,產生的尖峰可能損害 EMC 甚至電路穩定性。
如何降低多電容並聯的問題:
這些阻抗峰值可用阻尼手法壓低。若無電阻,諧振峰會呈現高 Q。實際上每顆電容的 ESR(及任何串聯電阻)決定該 RLC 支路的 Q 值。提高 ESR 可拓寬阻抗曲線並降低峰值,代價是整體阻抗地板抬高。因此有時在電容串聯電阻可有效抑制諧振峰。例如在大電容串 0.1–1 Ω,可把最低阻抗從 0.05 Ω 提高到 ~0.5 Ω,並把諧振「凹坑」抹平。模擬中,一顆 10 µF 超低 ESR 電容可能在 f₀ 急降到 ~0.05 Ω,加上 0.5 Ω 後就不再陷那麼深(消除「井」)。
有效的去耦策略:
使用電容堆疊(如 10–100 µF + 1–10 µF + 0.01–0.1 µF)覆蓋完整頻段。經驗法則:1–100 µF 對付低頻雜訊,0.01–0.1 µF 對付高頻雜訊。典型 MCU 電源腳可能並一顆 10 µF(或 4.7 µF)與四顆以上 0.1 µF 陶瓷,達到從數 kHz 到數百 MHz 的低阻抗。記住:bulk 電容放電源入口,小電容緊貼 IC 當本地儲池。設計者會讓各電容的自諧「凹陷」互相重疊,在元件暫態頻譜上形成寬廣的低 |Z| 區。
範例 1: 第一張圖顯示單一容值的頻率響應,第二張則加入阻尼,把諧振峰拉平。
範例 2: 如下所示,三種不同容值(1 µF、0.1 µF、0.01 µF)產生 3 個諧振與 2 個反諧振峰。為了拉平響應,串聯電阻被用來覆蓋高頻段。
範例 3: 這裡有 10 µF 與 0.1 µF 電容,可見串聯電阻如何將峰值抹平。
結論:
總之,良好的去耦就是在元件工作頻段內維持低阻抗。我們討論了多種容值組合,並以短而緊湊的佈局擺放,可在阻抗圖上產生多重重疊的諧振谷。必要時加入電阻阻尼或鐵氧體抹平峰值(這是另一個主題)。最終目標是獲得平坦的曲線與低 PDN 阻抗。透過分析頻率響應並應用上述策略,即可實現有效的去耦。
持續學習
PCB 基礎 2:設計準則
歡迎來到我們 PCB 基礎系列第二篇文章。本文將深入探討實現最佳 PCB 設計性能與功能的關鍵設計準則。不論您是電子愛好者、業餘玩家、工程師、學生或業界專業人士,掌握這些準則都能讓您打造出高品質的 PCB 設計。 讓我們與 JLCPCB 一起深入細節! 元件擺放: 有效的元件擺放對於 PCB 的最佳性能至關重要,它影響訊號完整性、熱管理與可製造性。 討論元件擺放時,請考量與熱源、訊號路徑及連接器的距離等關鍵因素。 強調類比與數位元件分離的重要性,以降低干擾;並指出將高速元件靠近訊號源擺放,可減少訊號衰減。 為降低訊號衰減,應縮短高速元件與訊號源之間的走線長度;較短的走線可減輕寄生元件造成的訊號損失、反射與失真。 將高速元件靠近訊號源擺放,可控制阻抗並降低串擾與雜訊耦合,從而提升訊號品質並降低訊號損壞的風險。 走線佈線: 正確的走線佈線對訊號完整性、EMI/EMC 合規性及阻抗控制至關重要。 為保持訊號完整性,必須透過正確的走線佈線技術將訊號反射降至最低。訊號反射會在傳輸線阻抗突然變化時發生,導致訊號部分反射,進而造成訊號劣化與時序錯誤。若要減少反射,應使用受控阻抗走線,使傳輸線阻抗與源端及負載匹配......
理解阻抗及其在 PCB 設計中的角色
阻抗是電機工程與電路設計中的基本概念。今天我們將概述阻抗,說明阻抗公式,介紹阻抗計算器等工具,並解釋阻抗如何影響 PCB 設計中的焊劑與元件選擇等因素。 什麼是阻抗? 阻抗(Z)代表交流電路中對電流流動的總阻礙,由電阻(R)與電抗(X)組成。電阻直接阻礙電流,電抗則儲存與釋放能量,兩者共同於交流系統中阻礙電流。 阻抗公式為: Z = R + jX 其中: R 為電阻分量 X 為電抗分量 j 為虛數單位 電阻為固定值,電抗則隨電容與電感的頻率而變,因此交流電路中的阻抗與頻率相關。阻抗計算器可根據給定頻率下的 R 與 X 值計算阻抗。 阻抗公式顯示阻抗具有大小與相位兩部分。大小(|Z|)計算如下: |Z| = √(R² + X²) 相位角(θ)為: θ = arctan(X/R) 此電壓與電流間的相位關係在交流供電系統中十分重要,變壓器與馬達等元件需正確的相位角,相位亦會影響功率因數,因此大小與相位皆為阻抗的關鍵考量。 集膚效應 在高頻下,交流電傾向於主要沿導體外表面流動,這一現象稱為集膚效應,使電子宛如在表面附近起舞,導致有效電阻增加,因電流被限制在靠近表面的較小截面積內。 集膚效應源於導線電感產生......
關於 PCB 絲網印刷你應該知道的事
印刷電路板(PCB)表面的印刷文字、符號、標記與圖像層,稱為 PCB 絲印。作為 PCB 製程的一環,它將特定油墨或類似油墨的物質印刷在 PCB 表面,以提供元件位置、組裝指示與識別資訊。 在接下來的章節中,我們將更詳細說明絲印於 PCB 的優點,同時介紹三種製作絲印的方法及其各自的優缺點。 PCB 絲印印在電路層與防焊層之上,亦稱為元件面或頂面。特別的是,我們可在絲印層加入各種資訊,包括警告標誌、組裝指示、企業或品牌標誌、元件名稱、標記等。 完成防焊層與電路層後,我們在生產流程的後段進行 PCB 絲網印刷。利用細網版或模板將絲印油墨塗佈於 PCB 表面,以產生標記與資訊。為了在 PCB 背景上提供良好可視性,通常使用黑白等對比色作為絲印油墨。 · 採用絲印 PCB 列印的優點 人們選擇在 PCB 上進行絲印印刷主要有 7 個原因: 1. 元件識別 2. 組裝指引 3. 電路理解 4. 品牌與標誌擺放 5. 美觀 6. 合規與認證 7. 文件與參考 以元件識別為例,絲印透過印刷提供視覺指引,讓人快速辨認JLCPCB 元件。在實際應用中,它能作為不同元件的標誌、名稱或標籤。組裝、測試或維修時,這些識......
選擇最佳 PCB 色彩——提升美觀與功能性
您想設計一款兼具卓越性能與美觀外觀的電子裝置嗎?PCB 防焊層的顏色在實現美學與功能性方面扮演著重要角色。您選擇的 PCB 防焊層顏色能展現電子裝置的獨特風格。不論是鮮豔的紅色、時尚的黑色,還是經典的綠色,顏色都能為設計定調。它能吸引目光、營造良好的第一印象,並提升整體產品體驗。選擇防焊層顏色時,務必考量目標客群、品牌形象與產品設計美學等因素,以打造視覺上吸引人的裝置。 由 JLCPCB 製造的 PCB PCB 顏色種類 常見顏色包括綠色、藍色、紅色、黑色、白色、紫色與黃色。 綠色 PCB 綠色是電路板最常見的顏色,尤其在傳統 FR-4 玻璃纖維板上。綠色 PCB 具備優異的可視性與對比度,讓人眼更容易辨識電路路徑與元件。它們通常具有良好的耐熱與耐濕性,且生產成本相對較低。 藍色 PCB 在特定工業與通訊領域較為常見。藍色具有良好的對比度,便於辨識元件與線路。 缺點: 1. 由於藍色 PCB 的產量不如綠色 PCB 高,小批量生產時價格可能略高。 2. 雖然藍色提供良好對比度,但在較暗環境中檢查焊點可能不如綠色 PCB 容易。 黃色 PCB 黃色 PCB 通常具備優異的散熱性能,有助於熱量逸散。這......
發光二極體(LED)
發光二極體(LED)已成為現代電子產品的基石,從家用照明到複雜的工業系統皆可見其身影。將 LED 整合進印刷電路板(PCB)對各種應用至關重要,可提供高效、多功能且可靠的照明解決方案。本文探討 LED 的基本原理、歷史、類型、應用,以及在設計含 LED 的 PCB 時的關鍵考量。 什麼是 LED? LED 是一種半導體元件,當電流通過時會發光。與傳統白熾燈泡不同,LED 無需加熱燈絲來產生光,而是利用電致發光:電子與電洞在元件內部復合,以光子形式釋放能量。這種方式讓 LED 更高效且發熱更少。 LED 的歷史 電致發光的概念最早由 Marconi Labs 的 H.J. Round 於 1907 年發現。然而,直到 1962 年,Nick Holonyak Jr. 在通用電氣工作時才開發出第一顆實用的可見光 LED。初期 LED 僅有紅色,經過數十年進展,已擴展至綠、藍、白光 LED,為廣泛應用鋪路。 LED 的類型 1. 標準 LED: 常見於指示燈與顯示器,提供多種顏色與尺寸。 2. 高亮度 LED: 用於需要更強光的應用,如手電筒與車用照明。 3. RGB LED: 透過紅、綠、藍光混合產生......
在 PCB 設計中使用 ISP 燒錄埠的重要性
在 PCB 設計領域,優化空間與降低成本始終是首要任務。將 In-System Programming(ISP)連接埠直接整合到 PCB 上,是達成這些目標的有效方法之一。ISP 連接埠可在無須常駐燒錄元件的情況下,直接對板上的微控制器或其他可程式化裝置進行燒錄。本文將說明在 PCB 設計中使用 ISP 燒錄連接埠的重要性,並探討其如何節省成本與縮小板面積。 什麼是 ISP 燒錄連接埠? ISP(In-System Programming)連接埠是一組位於 PCB 上的引腳,可直接在板上對微控制器及其他可程式化裝置進行燒錄。這種方式無須在初次燒錄後仍將專用燒錄硬體留在 PCB 上。ISP 連接埠通常採用標準引腳排列,可與多種燒錄工具相容。 ISP 燒錄連接埠範例 使用 ISP 燒錄連接埠的優點 1. 節省成本:透過 ISP 連接埠,可省去專用燒錄連接器及相關元件,降低整體 BOM(物料清單)成本。 2. 縮小板面積:移除常駐燒錄元件後,可釋放寶貴的 PCB 空間,實現更緊湊的設計。 3. 彈性高:ISP 連接埠提供彈性的燒錄與除錯方案,便於在開發過程中更新韌體或進行修改。 4. 簡化設計:導入 I......